Исследование формирования качества арматуры периодического профиля термическим упрочнением с отдельного нагрева

Оглавление

Toggle

Цикл статей:
Глава 1 – Повышение качества и конкурентоспособности высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал на основе разработки рациональных режимов холодной деформации и термической обработки

Глава 2 – Моделирование напряженного состояния при волочении заготовки н^ размер под профилирование

Глава 3 – Разработка модели управления геометрическими показателями качества арматуры при профилировании

Глава 4 – Исследование формирования качества арматуры периодического профиля термическим упрочнением с отдельного нагрева

Глава 5 – Разработка рациональных режимов формирования заданного уровня качества высокопрочной арматуры для железобетонных шпал и реализа­ция результатов работы в промышленности

Исследование режимов термической обработки арматуры периодического профиля с использованием тепла печного нагрева

В главе 1 показана возможность применения указанного способа уп­рочнения для формирования требуемых свойств арматурной стали периоди­ческого профиля. В связи с этим вели исследования по определению температурно-временных режимов закалки и отпуска для условий нагрева металла внешними источниками тепла и оценки возможности их использования в управлении качеством готовой продукции.

Исследования процессов формирования качества холоднопрофилиро- ванной арматуры диаметром 10,0 мм из сталей 40С2 и 55С2 на этапе терми­ческой обработки проводились в лабораторных условиях на образцах длиной 300-350 мм. Объем экспериментальной выборки составлял по 50 образцов арматуры из каждой марки стали. Образцы нагревали под закалку в электри­ческой камерной печи без защитной атмосферы. Температура нагрева под за­калку, принималась из условия Ас₃ + (30-50) °С и для стали 55С2 составила 880 °С [76], а для стали 40С2 – 900 °С [77]. Продолжительность нагрева 25-30 мин обеспечивала необходимую равномерность распределения температуры в садке и полноту протекания фазовых превращений в стали. После нагрева образцы поштучно охлаждали в воде в вертикальном положении. Твердость образцов из стали 40С2 после закалки в воде соответствовала 56-58 HRC. За­калка стали 55С2 в воде обеспечивала более высокий уровень твердости ар­матуры 58-60 HRC. Визуально трещин закалочного происхождения на по­верхности образцов обнаружено не было. Арматурные прутки после закалки были подвергнуты печному отпуску в интервале температур 350-400° С с различной продолжительностью 25-35 мин. Согласно литературным данным [49], отпуск в указанном интервале температур должен обеспечивать струк­турное состояние металла, приемлемое для формирования конечного уровня свойств, сопоставимых с требованиями, предъявляемым к арматурной стали в состоянии поставки. Испытания механических свойств арматуры после термообработки выполнили в сертифицированной центральной заводской лаборатории ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» (ОАО «ММК- МЕТИЗ»). Результаты испытаний механических свойств образцов арматур­ной стали приведены на рис. 4.1, 4.2.

По результатам исследований с использованием методов математиче­ской статистики и пакета программ (^айвйса 6.0» построены уравнения, по­зволяющие прогнозировать механические свойства термически упрочненной арматуры в зависимости от температуры и времени проведения операций печного отпуска [78]. В качестве оценки адекватности моделей был рассчи­тан коэффициент детерминации Я², используемый для статистической оцен­ки тесноты связи между результативными и объясняющими показателями. Данный коэффициент выражает долю объясненной изучаемыми факторами дисперсии результативного признака и служит важной характеристикой по­строенной модели. Математические модели зависимости механических свойств арматуры периодического профиля от температурно-временных па­раметров отпуска имеют вид:

Расчеты по полученным моделям (4.1 – 4.4) позволяют определить тем- пературно-временные интервалы печного отпуска, при которых показатели качества профилированной арматуры полностью выходят на уровень, соот­ветствующий требуемым значениям.

Так, показатели механических свойств металла при отпуске опытных образцов арматурной стали 40С2 при температуре 360° С продолжительно­стью 30 минут полностью соответствуют нормативным значениям ТУ 14­125-704-96. Для стали 55С2 требуемый комплекс механических свойств ме­талла обеспечивается отпуском при температуре 390° С в течение 30 минут. Полученные результаты были использованы при апробации опытно- промышленной технологии производства высокопрочной арматурной стали периодического профиля для железобетонных шпал.

Исследование влияния скоростного отпуска на механические свойства арматуры периодического профиля

Более прогрессивный вариант организации поточной технологии тер­мического упрочнения арматуры предполагает использование тепла индук­ционного нагрева. В этом направлении наибольший интерес представляет изучение поведения закаленной стали при индукционном отпуске.

Исследование режимов закалки профилированной арматуры с исполь­зованием тепла индукционного нагрева выполнили в условиях калибровоч­ного цеха ОАО «МКЗ» на установке УТВЧ оснащенной двумя индукцион­ными нагревателями и используемой для рекристаллизационного отжига ка­либрованного металла диаметрами 20-40 мм. Конструкция индукционных нагревателей в установках рекристаллизационного отжига рассчитана на обеспечение конечной температуры нагрева металла 720-750° С, что явно не­достаточно для перевода изучаемых кремнистых сталей в аустенитное со­стояние. Интервал закалочных температур для указанных сталей в условиях скоростного нагрева ТВЧ смещен в область более высоких значений и соот­ветствует 900-950° С.

По условиям генерирования тока высокой частоты в проводниковых материалах тонких сечений индукторы большого диаметра, применяемые для рекристаллизационного отжига, не обеспечивают нужной концентрации энергии магнитного потока и не позволяют нагреть металл до требуемых за­калочных температур. В связи с этим была проведена реконструкция одной экспериментальной установки, в результате которой действующие нагрева­тели были оснащены индуктирующим проводом с меньшим диаметром про­ходного сечения рис. 4.3. что дало возможность нагреть прутки диаметром

10,0 мм до требуемых закалочных температур.

Питание установки током высокой частоты 4000 Гц осуществляли от

тиристорных преобразователей напряжением 600 В. Скорость движения прутков профилированной арматуры длиной 2650 мм через индукционные нагреватели составляла 1,5 м/мин. Измерение температуры образцов произ­водили оптическим пирометром. Путем однофакторных экспериментов были установлены температуры нагрева под закалку с индукционного нагрева, обеспечивающие формирование структуры мартенсита 3-5 балла, равномер­но распределенной по всему сечению арматуры. Температура нагрева под за­калку для стали 40С2 составляла 930-950 для стали 55С2 – 900-920 ⁰ С.

Важной составляющей экспериментального исследования по отработке режимов термического упрочнения арматурной стали с использованием теп­ла индукционного нагрева явилось проектирование и изготовление охлаж­дающего устройства для закалки профилированных прутков на установке УТВЧ. Для осуществления закалки была разработана конструкция и изготов­лено закалочное устройство (рис. 4.4) с тангенциальной подачей воды в ох­лаждающие полости, обеспечивающей устойчивую работу при любых режи­мах охлаждения. Закалочное устройство размещали на расстоянии 20 мм от второго индуктора. Давление воды в сети в опытах составляло 3 -4 атм. Закаленные при указанных технологических параметрах образцы арма­туры из стали 40С2 имели твердость 55-59 HRC, из стали 55С2 – 57-60 HRC.

Исследование поверхности металла методом магнитной порошковой дефек­тоскопии с помощью дефектоскопа ЭМИД-3 не показало образование зака­лочных трещин.

Условия индукционного отпуска моделировались нагревом закален­ных образцов, отобранных от арматурных прутков, в ванне с расплавом со­лей KN0₃ и NaNC>3, обогреваемой электрическим током. Данные по продол­жительности нагрева образцов до температур отпуска 500, 550 и 600° С при­ведены на рис. 4.5, 4.6. в виде термограмм нагрева. Термограммы получены путем записи сигнала от хромель-алюмелевой термопары, зачеканенной в одном из образцов, на электронном автоматическом потенциометре КСП-4. На рис. 4.5 приведены термограммы нагрева образцов в печи. Как видно из представленных данных, продолжительность печного нагрева до рабочих температур 500 и 600° С составляет 6 и 9 мин, соответственно.

Нагрев в расплаве солей до указанных температур протекает за более короткое время, соответственно, 23 и 37 сек, что эквивалентно скоростям на­грева 13,5 и 26 град/сек (рис. 4.6).

В первой серии опытов закаленные образцы отпускали в расплаве соли при температурах 450, 500, 550 и 600° С с относительно длительными вы­держками в 1, 2, 3, 4, 5 и 10 мин.

Было установлено, что выдержка 60-180 с при температурах отпуска 550 и 600° С приводит к полному распаду мартенсита в исследуемых сталях с получением структуры сорбита отпуска. В результате образцы, отпущенные при указанных температурах, приобретают пониженную прочность, уровень которой не соответствует установленным требованиям.

Ни один из опытных режимов отпуска образцов стали 40С2 не обеспе­чил положительного результата. Единственный режим, который позволил получить нормируемые значения прочности и пластичности металла – это от­пуск, выполненный при температуре 450° С с выдержками 5 и 10 мин на об­разцах из стали 55С2. Однако, такой режим не может быть реализован в по­точной технологии термического упрочнения арматурной стали по причине существенного дисбаланса временных параметров нагрева под закалку и от­пуск.

С учетом данных полученных на первом этапе исследований режимы скоростного отпуска были скорректированы в направлении сокращения дли­тельности пребывания образцов в расплаве соли. Последующие опыты вы­полнялись при температурах отпуска 500 и 550° С продолжительностью 10, 20, 30, 40 и 60 сек. Характер изменения свойств сталей 40С2 и 55С2 при об­работке по указанным режимам представлен на рис 4.7, 4.8.

По результатам статистической обработки получены зависимости, по­зволяющие прогнозировать механические свойства термически упрочненной арматуры периодического профиля в зависимости от температуры и времени проведения операций скоростного отпуска [78]:

Анализ математических моделей свидетельствует о том, что наиболее существенное влияние на механические свойства металла оказывает темпе­ратура отпуска. В стали 40С2 распад мартенсита происходил непосредствен­но на стадии прогрева образцов до конечной температуры отпуска 550° С, обеспечивая формирование структуры троостита отпуска и свойственного этой структуре комплекса механических свойств металла, удовлетворяющего требованиям к показателям качества готовой арматуры. Расчеты по получен,- ным моделям показали, что для арматуры из стали 40С2 необходимые пока­затели качества арматуры по временному сопротивлению разрыву и относи­тельному удлинению могут быть достигнуты отпуском при температуре 550° С за время 20 сек, а в стали 55С2 за время 30 и 40 сек.

С учетом времени прогрева металла 27 с до заданной температуры в расплаве соли, установленным по термограммам рис. 4.6, чистое время пре­бывания образцов при температуре отпуска в последнем случае соответству­ет 3 и 17 сек.

По данным работы [54] такие скорости нагрева применяются в техно­логиях индукционного отжига калиброванного металла, что говорит о воз­можности использования индукционных установок для проведения операции отпуска закаленных прутков арматуры.

В ходе исследований установлено, что отпуск, выполненный в услови­ях быстрого нагрева, является сокращенным по продолжительности. Однако в режиме ускоренного отпуска сталь в состоянии приобретать такую же прочность, что и сталь, отпущенная в печи, но при более высокой (на 100-150° С) температуре.

Полученные данные свидетельствуют о том, что структурные превра­щения при скоростном отпуске стали успевают происходить как с выдерж­кой, так и без выдержки при температуре отпуска.

Следует полагать, что формирование механических свойств, исследуе­мых сталей, при ускоренном отпуске формируются не за счет специфическо­го влияния скорости нагрева, а за счет интенсификации диффузионных про­цессов, которые в условиях повышенных температур протекают за более ко­роткое время, обеспечивая полный распад мартенсита и образование струк­туры троостита отпуска.

Выводы

Установлены закономерности формирования механических свойств, предварительно профилированной в холодном состоянии, арматуры перио­дического профиля диаметром 10,0 мм из кремнистых марок стали 40С2 и 55С2 на этапе термического упрочнения с отдельного нагрева.

Получены математические модели формирования механических свойств арматуры периодического профиля диаметром 10,0 мм в зависимо­сти от температурно-временных параметров термической обработки по схеме «закалка-отпуск» с использованием тепла печного и скоростного нагрева. Модели позволяют определить режимы термического упрочнения получен­ной на этапе холодного профилирования арматуры, обеспечивающие полу­чение требуемых показателей качества высокопрочной арматуры для желе­зобетонных шпал.

Показана возможность синхронного выполнения процессов закалки и отпуска по ускоренным режимам в поточных технологиях, которые наибо­лее успешно могут быть реализованы путем индукционного нагрева и отпус­ка.

Список литературы

1. Блейлоб Ф., Борн X. Длительная прочность пружин из улучшенной закаленной и патентированной холоднотянутой проволоки//Черные металлы – №25 – 1963.-С. 13-19.
2. Изготовление высококачественных метизов. Кулеша
   B. А., Клековкина H.A., Белалов Х.Н. и др. Коллективная монография, г. Бело- рецк, 1999, 328С.
3. Головин Г.Ф. Высокоточная термическая обработка. Машгиз, 1959,
   212С.
4. Сергеев Г.Н. Термическая обработка и волочение стали с применением ТВЧ. М.: Металлургия, 1978, 223С.
5. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной за¬калкой при индукционном нагреве. М.: Машиностроение. 1972, 288 С.
6. Кидин И.Н. Термическая обработка стали при индукционном нагреве, Металлургиздат, М, 1950, 289С.
7. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической об¬работки. Учебн. для вузов, М. Металлургия, 1986, 424 С.
8. Электротермическое оборудование. Справочник. Издание 2. Под об¬щей редакцией А.П. Альтгаузена, М.: Энергия. 1980, 376С.
9. Соколовский П.И. Арматурные стали.- М.: Металлургия, 1964, 208С.
10. Харитонов A.B. Исследование и разработка технологии изготовления бунтовой арматурной стали класса А500 с использованием холодного профи¬лирования : Дис. канд. техн. наук.- Магнитогорск: МГТУ, 2003,124С.
11. Аркулис Г.Э. О распределении напряжений в очаге деформации при волочении круглых прутков// Известия вузов. Черная металлургия- №3.- 1969.- C. 90-92.
12. Аркулис Г.Э., Антонова Р.Г. Расчет волочения однородной полосы методом линий скольжения: Методическое пособие для вузов. – Магнитогорск: МГМИ, 1979.65С.
13. Аркулис Г.Э., Х.И. Копыловский Влияние условий волочения на об­разование трещин в проволоке// Сталь.- 1970.-№3.-С.756-759.
14. Никифоров Б.А., Харитонов Вик.А., Королева Н.Ф., Копылова Е.С., Харитонов В.А. Диаграммы естественных вытяжек систем многовалковых ка­либров. МГМИ. Магнитогорск, 1987. Деп. в Черметинформации 10.08.87, № 4121 – 4M 87.
15. Мулин Н.М. Стержневая арматура                                                железобетонных конструкций.- М..’Металлургия, 1974, 232С.
16. Дзугутов М.Я Пластичность, ее прогнозирование и использование при ОМД.- М.: Металлугия, 1984.212С.
17. Есипов В.Д., Соколов И.В. Калибровка валков для прокатки профилей трехсторонней арматурной стали // Сталь,- 2000.-№10.-С.23-28.
18. Корчунов А.Г. Разработка технологии производства холоднодефор- мированной низкоуглеродистой арматурной проволоки диаметрами 6,0-10,0 мм: Дис. канд. техн. наук.- Магнитогорск: МГТУ, 2001, 172С.