Способ термической обработки литых заготовок из сталей с низкой технологической пластичностью

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке литых сталей с низкой технологической пластичностью, в том числе сталей ледебуритного класса. Изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств, направленных на обеспечение высокой технологической пластичности при горячей деформации малопластичных сталей. Сущность изобретения заключается в том, что в способе термической обработки литых заготовок из сталей с низкой технологической пластичностью, включающем охлаждение с температуры начала кристаллизации и отжиг, совмещают кристаллизацию с отжигом путем ведения контролируемого охлаждения затвердевающей заготовки в виде многократного последовательного чередования кратковременных импульсов захолаживания поверхности заготовки со скоростью 700 - 900°С/с с импульсами отогрева, так чтобы после каждого очередного импульса отогрева температура поверхности заготовки непрерывно снижалась, при этом чередование импульсов "захолаживания - отогрев" осуществляют до температуры завершения эвтекоидного превращения для стали данного состава, далее охлаждение не контролируется. Заготовки получают разливкой в изложницу или в кокиль, или методом непрерывного литья. Отогрев ведут за счет собственного тепла центральной зоны заготовки, либо за счет тепла от внешнего источника. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке литых сталей с низкой технологической пластичностью, в том числе сталей ледебуритного класса.

Известен способ термической обработки ледебуритной литой стали, преимущественно быстрорежущей, включающей охлаждение от температуры кристаллизации или горячей механической обработки до АС₁] + 30 ^oС, выдержку при этой температуре, подстуживание до Ас₁ -(65 - 115)^oC, выдержку, охлаждения со скоростью не более 30 ^oC /ч до 620 - 700^oC.

Способ направлен на повышение технологической пластичности и сокращение продолжительности процесса (Авторское свидетельство СССР N 1108115, МПК С 21 D 1/26, опубл. 15-08-84). За счет замедления охлаждения и применения изотермических выдержек в температурных зонах эвтектоидного превращения авторы указанного способа достигают выравнивания температур по сечению охлаждаемого изделия, что снижает уровень внутренних напряжений и соответственно способствует повышению технологической пластичности. Однако основные причины низкой технологической пластичности литых сталей - дендритность строения, ликвации, грубые скопления первичных фаз и особенно эвтектических составляющих, указанный способ устранить не может.

Прототипом заявляемого изобретения является способ термической обработки слитков, преимущественно из сталей ледебуритного класса, включающий замедленное охлаждение с температуры кристаллизации, в процессе которого слитки выдерживают при М_н + (200 - 400)^oC до выравнивания температуры по сечению, после чего нагревают до 720 - 740^oC выдерживают до завершения перлитного превращения, затем нагревают до Ас₃ + (40-190)^oC и охлаждают до температуры изотермического отжига, который ведут по стандартной технологии.

Способ направлен на повышение технологической пластичности при горячей обработке давлением (Авторское свидетельство СССР N 905297 МПК С 21 D 1/78 опубл. 15. 02.82 г).

Данный способ также имеет в своей основе принцип всемерного замедления охлаждения с температуры кристаллизации и организации изотермических условий перлитного превращения. Повышение технологической пластичности в этом случае достигается за счет уменьшения уровня внутренних напряжений, возникающих, обычно при неоднородном распределении температурных полей в объеме охлаждаемого изделия. На формирование или изменение основных дефектов литых структур, включая дендритность, уровень ликваций и т. п., этот способ, так же как и предыдущий, влияния не оказывает.

Известен прием совмещения кристаллизации с термической обработкой в способе получения литого пуансона из легированной инструментальной стали путем охлаждения рабочих поверхностей пуансона от температуры солидуса со скоростью 550 - 650^oC / с, в результате чего обеспечивается закалка рабочей части пуансона (Авторское свидетельство СССР N 1183293 В 22 D 27/04 опубл. 07. 10. 1985).

В результате действий, перечисленных в указанном способе, авторы достигают упрочнения охлаждаемой детали за счет формирования в ее поверхности мартенситных структур. Известно, однако, что упрочнение, как правило, сопровождается соответствующей потерей пластичности. Поэтому указанный способ не может решить задач, поставленных в заявляемом изобретении.

Предлагаемое изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств, направленных на обеспечение высокой технологической пластичности при горячей деформации малопластичных сталей.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе термической обработки литых заготовок из сталей с низкой технологической пластичностью, включающем охлаждение с температуры начала кристаллизации и отжиг, совмещают кристаллизацию с отжигом путем ведения контролируемого охлаждения затвердевающей заготовки в виде многократного последовательного чередования кратковременных импульсов захолаживания поверхности заготовки со скоростью 700 - 900^oC/с с импульсами отогрева, так что после каждого очередного импульса отогрева температуру поверхности заготовки непрерывно снижают, при этом чередование импульсов захолаживание - отогрев осуществляют до температуры завершения эвтектоидного превращения в стали данного состава, далее охлаждение не контролируется. Заготовки получают разливкой в изложницу или в кокиль, или методом непрерывного литья. Отогрев ведут за счет собственного тепла центральной зоны заготовки, либо за счет тепла от внешнего источника.

При быстром охлаждении со скоростями выше 700^oC/с вновь кристаллизующиеся порции металла, в связи с ограниченным временем протекания диффузионных процессов, по характеру объемного распределения компонентов оказываются близкими к жидкому расплаву, что фактически исключает вероятность развития ликвационных процессов. Возникающие при этом в затвердевшей части внутренние напряжения не накапливаются, так как релаксируют в ходе очередного последующего импульса отогрева. Химическая однородность полученного литого металла оказывается в прямой зависимости от скорости охлаждения в каждом импульсе. Однако превышение скорости охлаждения более 900^oC/с все же создает опасность растрескивания и поэтому не рекомендуется для использования.

При охлаждении со скоростями менее 700^oC/с частично могут протекать диффузионные процессы в затвердевшей части заготовки, что неизбежно будет приводить к ликвациям разного типа и соответственно к потере литым металлом пластичности.

Ниже температур эвтектоидного превращения все фазовые переходы в сталях практически оказываются завершенными и поэтому условия охлаждения в этой температурной зоне можно не регламентировать.

Результатом использования описанного способа является получение структурного состояния, аналогичного структуре литого металла, подвергнутого после затвердевания дополнительной операции отжига. В связи с этим предлагается комбинированный способ совмещения процессов кристаллизации с операциями отжига называть, как "Литейно - кристаллизационная термическая обработка" или сокращенно "метод ЛКТО".

Пример N 1. Слиток из стали Р18 (0,85 % С; 17,6% W; 3.75 Cr 2,1 % V), после разливки в земляную форму подвергали отжигу при 1150^oC, 4 ч. Контролировали твердость, структуру и ударную вязкость при комнатной и повышенной температурах. Сравнение по свойствам проводили со слитком из той же плавки такой же массы (20 кг), разлитым в водоохлаждаемый кокиль с охлаждением по "методу ЛКТО". После отжига слиток, полученный из земляной формы, имел в поверхностном слое твердость 32 - 34 HRC, объемная доля ледебурита, определяющего склонность стали к охрупчиванию сохранялась на уровне 15- 18% (против 23-26% до отжига). Ударная вязкость при 20^oC 0,14 - 0,16 МДж/м², при 1150^oC - 0,28 МДж/м². Образцы той же стали, но из слитка, обработанного по методу ЛКТО, без дополнительного отжига имели твердость 32 - 36 HRC, объемную долю ледебуритной составляющей 12 -13%, ударную вязкость при 20^oC 0,19 -0,25 МДж/м², при 1150^oC - 1,2 МДж/м². По выходу годного при последующей ковке оба вида отливок показали одинаковые результаты.

Пример N 2. Сталь P6M5 (0,78% C; 5,95% W; 5,1% Mo; 1,75% V) после разливки в изложницу, извлечения слитка (массой 640 кг) и последующего отжига (1150^oC 4 ч) имела структуру в виде зерен бывшего δ - феррита, окружающих их зон бывшего аустенита и пограничных зон эвтектических выделений (до 22%). Такая неоднородная структура обеспечивала малый запас пластичности. Ударная вязкость при 20^oC составляла 0,11 - 0,13 МДж/м² при 1150^oC 0,3 - 0,35 МДж/м².

Такая же сталь (0,83% С; 5,72% W; 4,85% Mo; 1,8% V) была разлита в заготовки сечением 160 х 160 мм массой 840 кг на установке для непрерывной разливки с вертикальным кристаллизатором. Охлаждение заготовок осуществляли по методу ЛКТО. В результате сталь содержала лишь зерна эвтектоида, а доля ледебуритной эвтектики не превышала 10%. Ударная вязкость при 20^oC составила 0,20 - 0, 27 МДж/м², при 1150^oC - 1,2 МДж/м². Такой запас пластичности оказался достаточным для бездефектной черновой и чистовой прокатки непрерывнолитых заготовок в горячекатаный лист толщиной 2 и 4 мм. Прокатка металла, разлитого в изложницы, была возможна только после предварительной (перед прокаткой) ковки с большой степенью укова.

Приведенные примеры показывают, что совмещение процессов кристаллизации и отжига в соответствии с заявленным способом решает задачу уменьшения основных пороков литой структуры и, прежде всего химической ликвации, что в первую очередь отражается на улучшении технологической пластичности. Кроме того, отказ от операции отжига в виде самостоятельного технологического передела значительно уменьшает энергоемкость и общую себестоимость производства сталей с низкой технологической пластичностью.

Формула изобретения

1. Способ термической обработки литых заготовок из сталей с низкой технологической пластичностью, включающий охлаждение с температуры начала кристаллизации и отжиг, отличающийся тем, что совмещают кристаллизацию с отжигом путем ведения контролируемого охлаждения заготовки в виде многократного последовательного чередования кратковременных импульсов захолаживания поверхности заготовки со скоростью 700 - 900^oC/с с импульсами отогрева, так что после каждого очередного импульса отогрева температуру поверхности заготовки непрерывно снижают, при этом чередование импульсов захолаживание-отогрев осуществляют до температуры завершения эвтектоидного превращения, затем охлаждение ведут с произвольной скоростью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовки получают разливкой в изложницу, или в кокиль, или методом непрерывного литья.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отогрев ведут за счет собственного тепла центральной зоны заготовки, либо за счет тепла от внешнего источника.