Д.т.н. Семенов В.М., к.т.н. Кабацкий А.В., Борисенко А.В.

Донбасская государственная машиностроительная академия, Украина

Разработка технологии ковки и противофлокенной термической обработки стали 30ХМ применительно к регулировочным болтам ЭКГ8

1. ВВЕДЕНИЕ

Сокращение простоя оборудования, повышение эффективности его работы в значительной степени зависит от наличия запасных частей. Это касается всех отраслей промышленности, в том числе и горнообогатительного оборудования.

Целью настоящей работы являлась разработка технологии и изготовления болтов винтовой подвески экскаватора ЭКГ-8И. В качестве исходных данных для выбора технологии изготовления деталей принят болт М 64×4 регулировочный, масса 36 кг, материал – сталь 30ХМ (рис. 1). Можно использовать сталь 30XМА.

Рис. 1

Тип заготовки, определенный заказчиком – поковка. Поковку болтов можно изготовить по двум вариантам: из слитка или имеющейся квадратной заготовки. Первый предусматривает операции: выплавку стали, отливку слитка, ковку и термическую обработку. Второй вариант – из имеющейся квадратной катаной заготовки – исключает операции выплавки стали и отливки слитков и включает только ковку и термическую обработку.

При выборе окончательного варианта необходимо учитывать возможности предприятия-изготовителя. По первому варианту предприятие-изготовитель должно иметь плавильные агрегаты, средства для отливки слитков, прессовое и печное оборудование. По второму варианту достаточно иметь только прессовое и печное оборудование

При разработке технологии необходимо учитывать технологические особенности стали 30XМ и ее физико-химические свойства. Химический состав и критические точки стали по ГОСТ 4543-71 приведен ниже в табл. 1 [1]

Таблица 1

Содержание химичских элементов, %

Температура критических точек, ºC

C

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

Mo

Cu

не более

Ac1

AcS

Av1

AvS

0,25 – 0,34

0,17 – 0,37

0,40 – 0,70

0,035 – 0,025^*

0,035 – 0,025^*

0,80 – 1,1

≤ 0,30

0,15 – 0,25

≤ 0,30

757

807

693

763

^* Содержание серы и фосфора в стали 30ХМА.

Механические и технологические свойства стали при 20°С показаны в табл. 2, 3, 4

Таблица 2

Механические свойства при 20ºС
Режим термообработки			, МПа		, МПа	δ, %	Ψ, %	,	Марка стали	HB
Операция	Температура, ºС	Охлажд. среда
			не менее
Отжиг	830 – 850	с печью	не определяются							229
Закалка	880	масло	750	950						–
Отпуск	540	вода, масло

Таблица 3

Предел выносливости			Ударная вязкость при отрицательных температурах
, МПа	, МПа	Термообработка	при Т ºС						Термообработка
			20	0	-20	-40	-60	-80
41	–	Закалка 880º в масле, отпуск при 450º	–	–	–	4,3	–	3,8	Зак. 880º в масле. Отп. при 350ºС 0,28% С; 0,96% Cr; 0,20% Mn
31	–	Тоже, отпуск 650º
47	23	Тоже, отпуск 560º

Таблица 4

Температурные параметры ковки				Охлаждение поковок изготовленных
Состояние	Температура нагрева перед ковкой, ºС	Минимальная температура конца ковки, ºС		Из слитков		Из заготовок
				Размер сечения, мм	Условия охлаждения	Размер сечения, мм	Условия охлаждения
		Интенс. обжатие	Проглаживание
Слиток	1220	800	700	Поковка всех размеров 1. Ответсвен. назначения 2. Остальное	1. Отжиг с перекрист., два переохлаждения, отпуск 2. Отжиг низкотемпературн. одно переохлаждение	до 100	На воздухе
Заготовка	1260	800	760			101 – 300	В мульде
Свариваемость		Обрабатываемость резанием			Флокеночувствительность
Ограниченно свариваемые; способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка		После закалки и отпуска при HB 229 – 269, = 950 МПа (Твердый сплав) (Быстрорежущая сталь)			Малочувствительна Склонность к отпускной хрупкости – не склонна

2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК БОЛТОВ

2.1. Изготовление поковок из слитков

Выплавка стали 30ХМ может производиться в мартеновских (кислых и основных), электродуговых, индукционных печах. Учитывая, что болты регулировочные представляют собой обычные конструкции, металл для их изготовления можно выплавлять в любой печи, включая и основную мартеновскую. [1]

Для разработки технологии ковки заготовок болтов из слитка был составлен эскиз поковки на основании ее чертежа с учетом величины припусков заданных по ГОСТ 7829-70 [2]. (рис. 2) Каждая поковка имеет массу 82,6 кг и следующие габаритные размеры: длина – 1192 мм, диаметр – 90 мм. Ковка заготовок должна осуществляться из слитка массой 1,6 т с коэффициентом выхода годного 65%. Количество поковок из слитка – 10 шт.

Баланс металла составит: 1,6 т – 100%; прибыль – 25%; поддон, угар, обсечки – 10%

Рис. 2

Технология ковки слитка

1 нагрев (Т = 1220 – 850 ⁰C)

1. Подкатать прибыль под захват манипулятора

2. Биллетироватъ слиток

3. Прихватить часть слитка бойками и протянуть на диаметр Ø190 мм,

4. Отрубить поддон и 5 заготовок ℓ = 350 мм (рис. 3), остаток посадить в печь

Рис. 3

2 нагрев (Т = 1220 – 850°С)

Взять остаток протянуть на Ø 190 мм и отрубить еще 5 заготовок; заготовки посадить в печь.

3 нагрев

1. Взять заготовку Ø190 мм и ℓ = 350 мм, осадить до h=100

2. Обкатать заготовку до Ø200 мм.

3. Установить заготовку на образующую, присадить по образующей.

4. Произвести подсечку уголкой шириной 240 и высотой 55 мм (рис. 4).

5. Протянуть часть I на Ø 90 и править часть II по размеру головки болта.

Рис. 4

6. По шаблону в части II прошить отверстие Ø 60 мм, зачистить часть I в меру.

7. Поковки отправить в термоотдел.

8. Операции третьего выноса повторить двадцать раз.

2.2. Изготовление поковок из квадратной заготовки.

2.2.1. Проектирование поковки соединительного болта

Для расчета необходимых размеров поковки пользуемся инструктивным материалом [2], согласно которому выбираем на чистовые размеры припуски и допуски под термическую обработку – 10 мм на размер. Припуск назначается для удаления в процессе механической обработки всех дефектов поверхности, возникших в процессе горячей деформации металла. Общий вид поковки показан на рис. 2.

2.2.2. Расчет необходимого количества металла и геометрических размеров заготовки.

Для проработки структуры и получения равномерных по сечению детали механических свойств наиболее оптимальному сечению исходной заготовки соответствует квадрат 180.

Массу заготовки считаем по формуле:

; , где

М_З, М_П, М_У – масса заготовки, поковки и угара соответственно.

М_З = 82,6 + 22,4 = 105 кг

Масса заготовки квадратного сечения равна , где а и l – сторона и длина заготовки (рис. 5), – плотность.

М_З. =  ; определяем длину заготовки  мм.

Таким образом, размеры исходной квадратной заготовки 180×180×415 мм

Для изготовления общего количества 20 болтов необходимо металла 20×105= 2100 кг

2.2.3. Технология ковки

Процесс ковки осуществляется за 1 нагрев в интервале температур 1220 – 850°С и включает следующие операции:

1. Прихватить 180 протянуть длиной 413 мм и протянуть на 90×198 = 730 мм.

2. Наметить прутком и подсечь по эскизу уголкой К3-12324 поз. 25 (см. рис. 6).

Рис. 5 Рис. 6

3. Протянуть участок (I) на Ø90, длиной 930 мм.

4. Выправить по длине, зачистить, отрубить поковку длиной 1180 мм.

5. Поковку отправить в термоотдел в горячем состоянии на отжиг.

3. Термическая обработка поковок

Основная цель термической обработки после ковки – перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений. Обе эти задачи выполняются обычным полным отжигом, заключающимся в нагреве стали выше верхней критической точки с последующим медленным охлаждением. Феррито-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит, т. е. происходит полная перекристаллизация. Структура, состоящая из крупных зерен перлита и феррита, образовавшаяся после ковки, после такого отжига превращается в структуру из мелких зерен феррита и перлита. При отжиге скорость охлаждения должна быть такова, чтобы успели произойти превращения аустенита при малой степени переохлаждения. Практически скорость охлаждения не должна быть больше 50 – 100 °С/ч, что достигается охлаждением в печи. В заводской практике с целью экономии времени чаще проводят так называемый изотермический отжиг. Для этого сталь, нагретую выше верхней (или только нижней) критической точки, охлаждают быстро (с любой скоростью) до температуры, лежащей на 50 – 100°С ниже равновесной точки Α_τ и при этой температуре выдерживают столько, сколько необходимо для полного распада аустенита. Поскольку температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. В настоящее время изотермический отжиг применяют чаще, чем отжиг с непрерывным охлаждением, особенно для легированных сталей, так как это сокращает продолжительность операций [3]. Такой отжиг рекомендуется для термической обработки заготовок болтов после ковки (рис. 7)

Рис. 7

4. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

По форме и соотношению геометрических размеров и массе заготовки болтов могут быть изготовлены свободной ковкой на молотах. Тип молота и его мощность выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить требуемый уков и выполнение всех операций, предусмотренных технологическим процессом.

Для изготовления поковок по первому варианту из слитков требуется паровоздушный молот с массой падающих частей 3 т, а для выполнения необходимых работ при изготовлении поковок из квадратных заготовок можно применять паровоздушный молот с массой падающих частей 2 т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан технологический процесс выплавки, ковки и противофлокенной термической обработки стали 30ХМ применительно к регулировочным болтам ЭКГ-8

2. Для осуществления разработанного техпроцесса подобрано соответствующее оборудование.

ЛИТЕРАТУРА

1. Марочник стали и сплавов. / Под общ. ред. А.С. Зубченко. – М. : Машиностроение, 2003. – 784 с.

2. ГОСТ 7829-70. Поковки из углеродистой и легированной стали, изготовляемые ковкой на молотах. Припуски и допуски.

3. Гуляев В.П. Металловедение. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с.