CZ283977B6

CZ283977B6 - Způsob výroby vysoce pevných objemově za studena tvářených výrobků

Info

Publication number: CZ283977B6
Application number: CS905923A
Authority: CZ
Inventors: Slavomír Ing. Csc. Hořejš; Vlastimil Ing. Vilda; Jaroslav Ing. Vintrych; Oldřich Ing. Dokoupil
Original assignee: Slavomír Ing. Csc. Hořejš; Vlastimil Ing. Vilda; Jaroslav Ing. Vintrych; Oldřich Ing. Dokoupil
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1998-07-15
Also published as: CS592390A3

Abstract

Způsob výroby je určen zejména pro zhotovování spojovacích součástí a strojních dílů čepového charakteru o pevnosti v tahu 600 až 2 000 MPa válcováním za tepla a následným tvářením za studena z materiálu obsahujícího v hmotnostním množství 0,03 až 0,13 % uhlíku, 1,2 až 2,5 % manganu, 0,3 až 1,2 % křemíku, 0,003 až 0,05 % hliníku, stopy až 0,025 % fosforu, stopy 0,025 % síry, zbytek železo a ostatní doprovodné prvky. Materiál se doválcovává při teplotě 900 až 1050 .sup.o .n.C, načež se ihned po dobu 0,5 až 3,5 sekunky ochlazuje na teplotu 740 až 800 .sup.o .n.C. Poté se ochlazuje rychlostí 2 až 8 .sup.o .n.C/sekunda po dobu 30 až 80 sekund a dále rychlostí 8 až 18 .sup.o .n.C/sekunda až na teplotu vzniku martenzitické přeměny. Pak se dochladí nejméně 3 % a poté konečnému objemovému tváření ze studena.ŕ

Description

Způsob výroby vysoce pevných objemově za studená tvářených výrobků

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby vysoce pevných objemově za studená tvářených výrobků, zejména spojovacích součástí a strojních dílů čepového charakteru a pevnosti v tahu 600 až 2000 MPa.

Dosavadní stav techniky

Pro výrobu vysoce pevných součástek vyráběných metodou objemového tváření za studená se dnes běžně používá jako vstupní suroviny uhlíkových, případně nízko legovaných ocelí ve formě drátů nebo tyčí.

Při stávající výrobní technologii nejsou u výše uvedených jakostí parametry válcování a ochlazování drátů nebo tyčí podstatné z hlediska konečných mechanických vlastností objemově za studená tvářených výlisků. Požadavkem je pouze minimální pevnost a maximální plasticita válcového drátu pro zdárný průběh následného tváření za studená. Prakticky je drát doválcován při teplotě 1 050 ± 50 °C a ochlazován vodou na teplotu zhruba 800 °C a dále vzduchem na teplotu zhruba 300 °C. U současně používaných ocelí nelze dosáhnout současně dobré výchozí tvařitelnosti drátu, případně tyče a konečné vysoké pevnosti a houževnatosti výlisku bez tepelného zpracování. Za tepla válcovaný drát nebo tyč je v mnoha případech nezbytné pro dosažení požadované plasticity za studená žíhat na měkko při teplotě 600 až 720 °C s výdrží na teplotě 1 až 10 hodin. Pro zintenzivnění procesu změkčení během žíhání na měkko je před žíháním zařazena deformace za studená tažením s redukcí 10 až 36%. Méně tvarově složité výrobky jsou vyráběny přímo z válcového drátu. Dále následuje úprava povrchu, například mořením a fosfátováním, tažení za studená a lisování finálního výrobku za studená. Po lisování je nezbytné pro dosažení požadované pevnosti a houževnatosti finální výrobky zušlechťovat kalením a popouštěním.

Nevýhody stávající výrobní technologie spočívají zejména vtom, že materiál je nezbytné v průběhu výrobního cyklu jednou až dvakrát tepelně zpracovat. Jedině tak lze dosáhnout požadované plasticity vstupního materiálu pro výrobu výlisků náležitého tvaru a s žádoucí kombinací pevnosti a houževnatosti konečného výrobku. Tepelné zpracování materiálu, a to jak úvodní žíhání na měkko, tak i finální kalení a popouštění hotových výrobků, je energeticky a tedy i ekonomicky velmi náročné a značně zvyšuje energetickou náročnost celé výroby, délku výrobního cyklu, nároky na výrobní zařízení a na pracovníky. S finálním tepelným zpracováním je spojena i zvýšená zmetkovitost při výrobě, spočívající v tvarových distorzích finálních výrobků při kalení.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody stávajícího stavu techniky odstraňuje v podstatné míře způsob výroby vysoce pevných objemově za studená tvářených výrobků podle vynálezu. Tyto výrobky se vyrábějí z ocelového polotovaru ve formě drátu nebo tyče, obsahujícího 0,03 až 0,13% hmotnostních uhlíku, 1,2 až 2,5 % hmotnostních manganu, 0,3 až 1,2 % hmotnostních křemíku, 0,003 až 0,05 % hmotnostních hliníku, stopy až 0,025 % hmotnostních fosforu, stopy až 0,025 % hmotnostních síry, zbytek železo a ostatní doprovodné prvky jako nečistoty, jeho válcováním za tepla s doválcovací teplotou 900 až 1 050 °C, ochlazováním a následným tvářením za studená tažením a objemovým tvářením s předúpravami povrchu pro tváření za studená a podstata

- 1 CZ 283977 B6 vynálezu spočívá vtom, že ochlazování zdoválcovací teploty se zahajuje nejpozději do tří sekund po ukončení válcování. Při tomto ochlazování se ocelový polotovar z doválcovací teploty nejprve o dobu 0,5 až 3,5 sekundy ochlazuje na teplotu 740 až 800 °C a poté rychlostí 2 až 8 °C/sekunda po dobu 30 až 80 sekund a dále rychlostí 8 až 18 °C/sekunda až na teplotu, danou teplotním intervalem {Tm at (T_M - 200)}°C, kde teplota T_M je dána vztahem

T_M = 530 - 415 C + 90 C² - 35 Mn (°C), (1) v němž značí

T_M - teplotu vzniku martenzitické přeměny

C - hmotnostní procentuální obsah uhlíku

Mn - hmotnostní procentuální obsah manganu.

Po následném volném dochlazení z této teploty se ocelový polotovar před konečným objemovým tvářením táhne za studená s deformací nejméně 3 %.

Podstata vynálezu spočívá dále v tom, že se ocelový polotovar po tažení a konečném objemovém tváření za studená popouští při teplotě 150 až 550 °C po dobu 15 až 60 minut.

Takto zpracovaný materiál má ve stavu po válcování za tepla dostatečnou tvařitelnost za studená pro vyrobení i tvarově složitých objemově tvářených výrobků. Vysoká pevnost ve válcovém stavu a rychlost deformačního zpevňování umožňuje dosažení požadované vysoké pevnosti a houževnatosti konečných výrobků i bez kalení a popouštění. Konečnou hladinu pevnosti a houževnatosti výsledných výrobků lze regulovat dle zpracovatelských požadavků zejména hmotnostními obsahy uhlíku, manganu a křemíku ve výše uvedených intervalech a rychlostmi ochlazování. S růstem hmotnostního obsahu uhlíku, manganu a křemíku a zvyšováním ochlazovací teploty roste mez pevnosti materiálu ve stavu po válcování v intervalu 500 až 800 MPa. Vhodnou kombinací výchozího chemického složení, rychlosti ochlazování a velikosti deformace za studená lze získat výrobek o pevnosti 600 až 2000 MPa. Výsledné vy soce pevné, za studená objemově tvářené, výrobky, vyráběné způsobem dle vynálezu, mají vyšší povrchovou kvalitu, přičemž v povrchové vrstvě nedochází k oduhličení. Výrobky je možno přímo po vylisování zinkovat nebo jinak povrchově upravovat, bez předchozího moření.

Výhodou způsobu podle vynálezu oproti dosud známým způsobům výroby například spojovacích součástí a strojních dílů je eliminace jak vstupního žíhání ocelového polotovaru tak i konečné zušlechťování resp. jakékoli tepelné zpracování ať již v průběhu výroby nebo konečných výrobků. Zařízením případného popouštění výrobků podle vynálezu po jejich konečném objemovém tváření za studená nedochází přitom jako při klasickém popouštění ke zvýšení plastických vlastností při poklesu tvrdosti a pevnosti materiálu, ale dochází s výhodou ke zvýšení jak plastických tak současně i pevnostních vlastností.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Pro výrobu vysoce pevných šroubů bylo použito ocelových polotovarů ve formě drátu o průměru

5,5 mm s chemickým složením uvedeným v tabulce I. Tento ocelový drát byl řízené válcován a ochlazován s doválcovací teplotou 950 až 980 °C, za 0,3 sekundy bylo zahájeno ochlazování drátu vodou. Drát byl za 0,8 sekundy ochlazen na teplotu 750 až 770 °C. Z této teploty byl ochlazován rychlostí 5 až 8 °C/sekunda po dobu 40 sekund a dále rychlostí 15 až 18 °C/sekunda

-2CZ 283977 B6 až na teplotu 280 až 330 °C, tj. na teplotu o 100 až 150 °C nižší než je teplota T_M, rovnající se podle tabulky I a výpočtu dle vztahu (1) pro dané chemické složení teplotě 430 °C. Dále se dochlazoval volně bez již jakýchkoliv požadavků na ochlazovací rychlosti na vzduchu.

Takto vyrobený drát o průměru 5,5 mm byl za studená zpracováván v několika níže uvedených variantách.

Varianta IA

Drát o průměru 5,5 mm byl tažen za studená na drát o průměru 4,85 mm s deformací redukcí 22 %. Následně byl metodou objemového tváření za studená vyroben šroub M5 x 16 s šestihrannou hlavou. Deformace při objemovém tváření dosahovala v hlavě 72,8 % a ve dříku 17,3 %. Mechanické vlastnosti šroubu jsou uvedeny v tabulce II.

Varianta 1B

Drát průměru 5,5 mm byl tažen za studená na drát průměru 5,29 mm s deformací redukcí 7,5 %. Následně byl metodou objemového tváření za studená vyroben šroub M6 x 40 s vnitřním šestihranem. Deformace při objemovém tváření dosahovala v hlavě 71,2 % a ve dříku 30,5 %. Mechanické vlastnosti šroubu jsou opět uvedeny v tabulce II.

Příklad 2

5.5 mm s chemickým složením uvedeným v tabulce I. Tento ocelový drát byl řízené válcován a ochlazován s doválcovací teplotou 1 010 až 1 040 °C, za 0,3 sekundy bylo zahájeno ochlazování drátu vodu. Drát byl za 0,8 sekundy ochlazen na teplotu 760 až 790 °C. Z této teploty byl ochlazován rychlostí 5 až 8 °C/sekunda po dobu 47 sekund a dále rychlostí 15 až 18 °C/sekunda až na teplotu 250 až 300 °C, tj. na teplotu o 147 až 197 °C nižší než je teplota T_M, rovnající se podle tabulky l a výpočtu dle vztahu (1) teplotě 447 °C. Dále se ochlazoval volně na vzduchu. Takto vyrobený drát o průměru 5,5 mm byl za studená zpracován rovněž v několika níže uvedených variantách.

Varianta 2 A

Drát průměru 5,5 mm byl tažen za studená na drát o průměru 5,29 mm s deformací redukcí 7,5%. Následně byl metodou objemového tváření za studená vyroben šroub M6 x 16 s šestihrannou hlavou. Deformace při objemovém tváření dosahovala v hlavě 79,2 % a ve dříku

30.5 %. Vlastnosti šroubu po objemovém tváření za studená jsou uvedeny v tabulce II. Po zpracování těchto šroubů dle bodu 2 definice popouštění při teplotě 300 °C po dobu 30 minut bylo dosaženo vlastností, které jsou uvedeny v tabulce III.

Varianta 2B

Drát průměru 5,5 mm byl tažen za studená na drát o průměru 4,41 mm s deformací redukcí 35,7 %. Následně byl metodou objemového tváření za studená vyroben šroub M5 x 35 s šestihrannou hlavou. Deformace při objemovém tváření dosahovala v hlavě 77,5 % a ve dříku 0%. Vlastnosti šroubů po objemovém tváření za studená jsou uvedeny v tabulce 11. Při

-3 CZ 283977 B6 popouštění při teplotě 300 °C po dobu 30 minut podle 2. bodu definice bylo dosaženo vlastností, uvedených v tabulce III.

Varianta 2C

Drát průměru 5,5 mm byl tažen za studená na drát o průměru 4,85 mm s deformací redukcí 22,2 %. Následně byl metodou objemového tváření za studená vyroben šroub M5 x 40 s šestihrannou hlavou. Deformace při objemovém tváření dosahovala v hlavě 72,8 % a ve dříku 17,3%. Vlastnosti šroubu po objemovém tváření za studená jsou uvedeny v tabulce II. Při zpracování těchto šroubů popouštěním při teplotě 550 °C po dobu 40 minut bylo dosaženo vlastností, které jsou uvedeny v tabulce III.

Tabulka I

Chemické složení materiálu pro příklad 1 a 2, včetně teploty martenzitické přeměny T_M

příklad	C	Mn	Si	S (%)	P	Al	Tm (°C)
1	0,085	1,85	0,75	0,018	0,020	0,007	430
2	0,07	1,55	0,56	0,016	0,018	0,016	447

Tabulka II

Mechanické vlastnosti šroubů

příklad (varianta)	Rm (MPa)	HB (-)
IA	807 až 897	232 až 258
IB	910 až 987	262 až 284
2A	840 až 960	240 až 275
2B	798 až 975	228 až 280
2C	773 až 897	222 až 258

Tabulka III

Mechanické vlastnosti šroubů zpracovaných popouštěním

příklad	Rm (MPa)	HB (-)
2A	1060 až 1090	304 až 313
2B	1080 až 1175	309 až 338
2C	767 až 820	220 až 235

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby vysoce pevných objemově za studená tvářených výrobků, zejména spojovacích součástí a strojních dílů čepového charakteru o pevnosti v tahu 600 až 2000 MPa, z ocelového polotovaru ve formě drátu nebo tyče, obsahujícího 0,03 až 0,13% hmotnostních uhlíku, 1,2 až 2,5% hmotnostních manganu, 0,3 až 1,2% hmotnostních křemíku, 0,003 až 0,05 % hmotnostních hliníku, stopy až 0,025 % hmotnostních fosforu, stopy až 0,025 % hmotnostních síry, zbytek železo a ostatní doprovodné prvky jako nečistoty, jeho válcováním za tepla sdoválcovací teplotou 900 až 1050 °C, ochlazováním a následným tvářením za studená tažením a objemovým tvářením s předúpravami povrchu pro tváření za studená, vyznačující se tím, že ochlazování z doválcovací teploty se zahajuje nejpozději do tří sekund po ukončení válcování, přičemž se ocelový polotovar z doválcovací teploty nejprve po dobu 0,5 až 3,5 sekundy ochlazuje na teplotu 740 až 800 °C a poté rychlostí 2 až 8 °C/sekunda po dobu 30 až 80 sekund a dále rychlostí 8 až 18 °C/sekunda až na teplotu, danou teplotním intervalem {T_M až (T_M - 200)} °C, kde teplota T_M je dána vztahem

T_M = 530 - 415 C + 90 C^a - 35 Mn (°C), v němž značí

T_M - teplotu vzniku martenzitické přeměny

C - hmotnostní procentuální obsah uhlíku

Mn - hmotnostní procentuální obsah manganu, přičemž po následném volném dochlazení z této teploty se ocelový polotovar před konečným objemovým tvářením táhne za studená s deformací nejméně 3 %.
2. Způsob výroby vysoce pevných objemově za studená tvářených výrobků podle nároku 1, vyznačující se tím, že po tažení za studená a konečném objemovém tváření za studená se provádí popouštění při teplotě 150 až 550 °C po dobu 15 až 60 minut.