Способ кинетического низкотемпературного отпуска

Изобретение относится к термической обработке металлов и может быть использовано при производстве листового термически улучшенного высокопрочного проката из углеродистых и легированных сталей. Для повышения твердости, прочности, вязкости и пластических свойств закаленный на мартенсит лист подвергают отпуску при температуре не выше 250°С и выдержке, при этом нагрев до температуры отпуска производят со скоростью 10-120°С/ч. При температуре отпуска 150-170°С нагрев осуществляют за две стадии, на первой стадии нагрев производят со скоростью 100-120°С/ч до температуры 100-130°С, при достижении которой нагрев на второй стадии ведут со скоростью 38-52°С/ч. При температуре отпуска 180-200°С после достижения температуры 150-170°С производят третью стадию нагрева со скоростью 39-54°С/ч. При температуре отпуска 210-250°С после достижения температуры 180-200°С производят четвертую стадию нагрева со скоростью 10-24°С/ч. 3 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Изобретение относится к термической обработке металлов и может быть использовано при производстве листового термически улучшенного высокопрочного проката из углеродистых и легированных сталей.

Заданные значения механических свойств высокопрочного проката из углеродистых и легированных хромоникельмолибденовых сталей специального (броневого) и универсальных назначений обычно достигают путем изменения температуры отпуска после закалки на мартенсит: повышение температуры отпуска приводит к снижению твердости, прочности и росту пластических свойств.

Известен способ производства листового проката из низколегированной стали, включающий закалку листов на мартенсит с реечной морфологией с температуры 920-950°С водой и последующий отпуск при 600°С [1].

Недостаток известного способа состоит в том, что после отпуска закаленные стальные листы имеют низкую прочность, что делает их непригодными для изготовления бронезащитных конструкций.

Известен также способ упрочняющей термической обработки листов из низколегированной стали, включающий их нагрев до температуры 900°С, закалку водой на мартенсит и последующий отпуск при температуре 200°С в течение 9 ч [2].

Недостатки известного способа состоят в том, что такой отпуск мартенсита закалки приводит к потере твердости и прочности листовой стали, делает ее непригодной для изготовления бронезащитных конструкций.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ низкотемпературного отпуска изделий из инструментальной стали, закаленной на мартенсит. Способ включает их нагрев до температуры не выше 300°С и выдержку при температуре отпуска в течение 1-2 ч. Скорость нагрева при отпуске не регламентирована. При этом по мере повышения температуры отпуска имеет место снижение твердости стали [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает высокой твердости, прочности, пластических и вязкостных свойств стальных изделий, в частности, стального листового закаленного проката, т.к. в нем не использованы в полной мере упрочняющие металлофизические и химические эффекты, которые имеют место и развиваются кинетически в зависимости от скорости нагрева стали в различных температурных интервалах. Это затрудняет получение мартенсита с различными морфологическими особенностями.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении твердости, прочности, вязкостных и пластических свойств закаленных стальных изделий.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе низкотемпературного отпуска стального проката, закаленного на мартенсит, включающем его нагрев до температуры отпуска не выше 250°С и выдержку при температуре отпуска, согласно предложению нагрев до температуры отпуска производят со скоростью 10-120°С/ч, причем при температуре отпуска 150-170°С нагрев осуществляют за две стадии, на первой стадии нагрев производят со скоростью 100-120°С/ч до температуры 100-130°С, при достижении которой нагрев на второй стадии ведут со скоростью 38-52°С/ч, а при температуре отпуска 180-200°С после достижения температуры 150-170°С производят третью стадию нагрева со скоростью 39-54°С/ч. Кроме того, при температуре отпуска 200-250°С, после достижения температуры 180-200°С производят четвертую стадию нагрева со скоростью 10-24°С/ч.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. По мере повышения температуры отпуска происходит снижение твердости и прочности отпущенного мартенсита, поэтому для получения листового проката из углеродистых и легированных (хромоникельмолибденовых) сталей с различными категориями твердости и прочности, предложено отпуск проводить при трех различных температурах: 150-170°С - максимальная твердость и прочность; 180-200°С - промежуточная твердость и прочность; 210-250°С - пониженная твердость и прочность.

Экспериментально установлено, что при температуре отпуска выше 250°С снижается твердость и прочность закаленных стальных изделий. При нагреве со скоростью ниже 10°С/ч также имеет место снижение прочности и твердости стальных изделий, а также неоправданно удлиняется продолжительность нагрева. Увеличение скорости нагрева сверх 120°С/ч происходит ухудшение вязкостных свойств стальных изделий.

При нагреве на первой стадии до температуры 100-130°С со скоростью 100-120°С/ч в мартенсите закалки происходят внутрифазовые изменения, при которых атомы углерода переходят из междоузлий кристаллической решетки к ее дефектам, образуют кластеры. Кластеры, формируя регулярную структуру, являются зародышами последующего образования карбидов. Повышение температуры нагрева на первой стадии более 130°С, как и снижение скорости нагрева менее 100°С/ч способствует формированию неблагоприятных дислокационных конфигураций, приводит к образованию сегрегации по границам зерен. Это снижает вязкостные характеристики высокопрочных стальных изделий. Снижение температуры нагрева на первой стадии менее 100°С или скорости нагрева выше 120°С/ч ухудшает возможность для формирования ячеистой структуры мартенситных кристаллов, снижает пластичность стальных изделий.

При нагреве на второй стадии со скоростью 38-52°С/ч до температуры 150-170°С происходит изменение дислокационной конфигурации с образованием ячеистой структуры мартенситных кристаллов, начинается выделение углерода из мартенсита, что ведет к появлению мартенсита, обедненного углеродом. В процессе этого превращения в закаленной стали образуется ε-карбид с гексагональной плотноупакованной решеткой с химической формулой Fe_2,3C. Низкотемпературный ε-карбид выделяется в виде тонких пластин, причем выделение ε-карбида происходит в бездвойниковых участках мартенситных кристаллов. На границах мартенситных зерен образуются сегрегации различных структурных составляющих.

Выдержка при температуре отпуска 150-170°С приводит к завершению образования цементита. По окончании выдержки структурно-фазовые напряжения частично снижаются. Благодаря этому мартенсит приобретает максимальную твердость и прочность недоотпущенного состояния. Однако при повышении температуры нагрева на второй стадии выше 170°С или снижении скорости нагрева менее 38°С/ч снижаются прочностные характеристики высокопрочных стальных изделий. Снижение температуры нагрева на второй стадии менее 150°С или повышение скорости нагрева более 52°С/ч ухудшает пластические и вязкостные свойства высокопрочных стальных изделий.

Для получения мартенсита с промежуточной твердостью и прочностью после завершения второй стадии нагрева и достижения температуры 150-170°С осуществляют третью стадию нагрева углеродистой и легированной стали со скоростью 39-54°С/ч до температуры 180-200°С. При третьей стадии нагрева происходит распад остаточного аустенита, продуктом которого является гетерогенная смесь, состоящая из пересыщенного α-твердого раствора и карбидной фазы. Одновременно имеет место аннигиляция дислокации в мартенситных кристаллах, диффузионный перенос атомов хрома в мартенсите, что сопровождается превращением цементита в карбиды хрома. Атомы молибдена диффундируют к границам зерен, вытесняя атомы примесного фосфора. Обеднение междуузлий кристаллической решетки мартенсита углеродом в процессе нагрева со скоростью 39-54°С/ч до температуры 180-200°С снижает напряженное состояние решетки, что сопровождается разупрочнением закаленной стали.

В процессе выдержки стали при температуре отпуска 180-200°С продолжается процесс удаления атомов фосфора от границ блоков, что способствует повышению пластичности и ударной вязкости стали. По окончании выдержки закаленная хромоникельмолибденовая сталь приобретает заданные механические свойства (промежуточную твердость и прочность).

При повышении температуры отпуска более 200°С или снижении скорости нагрева менее 39°С/ч не достигаются требуемые (промежуточные) твердость и прочность изделий из легированной и углеродистой стали. Снижение температуры отпуска менее 180°С или повышение скорости нагрева более 54°С/ч приводит к снижению пластических и вязкостных свойств высокопрочных стальных изделий.

Для получения стали с пониженной твердостью и прочностью после завершения третьей стадии нагрева при температуре 180-200°С переходят к четвертой стадии нагрева закаленной стали со скоростью 10-24°С/ч до температуры отпуска 210-250°С. В процессе нагрева на 4-й стадии нарастает количество диффундируемого из междуузлий кристаллической решетки мартенсита, что сопровождается дальнейшим снижением напряжения кристаллической решетки мартенсита, уменьшению внутренних микро- и макронапряжений, снижению твердости и прочности стали. Выделяющийся на этой стадии атомарный углерод образует карбиды типа Fe₃С пластинчатой формы. Оставшиеся дислокации упорядочиваются. Выдержка при температуре 210-250°С способствует гомогенизации морфологии и микроструктуры закаленной и отпущенной углеродистой и легированной стали, в результате чего стальные изделия приобретают комплекс механических свойств, сочетающих высокую твердость, прочность и вязкость.

Повышение температуры отпуска на четвертой стадии нагрева сверх 250°С, как и снижение скорости нагрева ниже 10°С/ч, приводят к падению прочности и твердости стальных изделий. Снижение температуры отпуска менее 210°С или повышение скорости нагрева более 24°С/ч ухудшает вязкостные и пластические свойства стальных изделий.

Примеры реализации способа

Для получения высокопрочного проката используют горячекатаные листы толщиной 8,0 мм из сталей следующих составов (табл.1):

Таблица 1
Составы сталей для производства термически улучшенного проката
Тип стали	Содержание химических элементов, мас.%
С	Mn	Si	Cr	Ni	V	Fe + примеси
Углеродистая	0,80	0,33	0,30	0,05	0,10	--	остальное
Легированная	0,90	0,65	0,45	2,0	1,5	0,25	остальное

Листы из сталей обоих типов закаливают водой в роликовой закалочной машине непосредственно после горячей прокатки (с прокатного нагрева). Закалку производят с температуры 850°С. Закаленные листы подвергают кинетическому отпуску на три различных уровня прочности.

Вариант 1. Кинетический отпуск закаленных листов на максимальную твердость и прочность.

Закаленные листы из углеродистой и легированной стали (табл.1) помещают в муфельную садочную печь и производят нагрев листов со скоростью V₁=110°С/ч до температуры T₁=120°C, по достижении которой скорость нагрева снижают до V₂=45°С/ч и продолжают нагрев листов до температуры отпуска Т₂=160°С. Листы подвергают выдержке при температуре отпуска в течение времени τ=5 ч, после чего охлаждают.

В табл.2 приведены режимы кинетического отпуска на максимальную твердость и прочность, а также механические свойства листов из углеродистой и легированной стали.

Из таблицы 2 следует, что при реализации кинетического отпуска в соответствии с предложенным способом (режимы 2-4) достигается сочетание высокой прочности и твердости при обеспечении запаса пластичности и ударной вязкости, благодаря чему конструкции из термически улучшенных листов обладают устойчивостью против хрупкого разрушения. При запредельных значениях режимов (варианты 1 и 5) стальные листы характеризуются низкой пластичностью и ударной вязкостью, а также низкой прочностью (вариант 5).

Таблица 2
Режимы кинетического отпуска и механические свойства листов
№ п/п	Тип стали	Параметры нагрева	Механические свойства
V1, °С/ч	T1, °c	V2, °С/ч	Т2, °C	HRC, ед.	σв, МПа	δ5, %	KCU, МДж/см2
1.	углеродистая легированная	90	90	37	140	64 66	2400 2450	0 0	0 0
2.	углеродистая легированная	100	100	38	150	63 64	2300 2300	3 4	2 2
3.	углеродистая легированная	110	120	45	160	62 63	2250 2250	5 5	3 3
4.	углеродистая легированная	120	130	52	170	60 60	2200 2200	4 4	2 3
5.	углеродистая легированная	130	140	53	180	52 52	2000 2000	0 1	0 0

Вариант 2. Кинетический отпуск закаленных листов на промежуточную твердость и прочность.

При этом варианте кинетического отпуска осуществляют все те же операции, что и при варианте 1, только после достижения температуры Т₂=160°С вместо изотермической выдержки закаленные листы подвергают третьей стадии нагрева со скоростью V₃=47°С/ч до температуры Т₃=190°С. По достижении этой температуры листы подвергают выдержке в течение времени τ=3 ч, после чего охлаждают.

В табл.3 приведены режимы кинетического отпуска на промежуточную прочность и твердость, а также механические свойства листов из углеродистой и легированной стали.

Из таблицы 3 следует, что при реализации кинетического отпуска в соответствии с предложенным способом (режимы 2-4) достигается сочетание высокой прочности при повышенной пластичности и ударной вязкости, благодаря чему конструкции из термически улучшенных листов могут быть использованы для бронезащитных конструкций. При запредельных значениях режимов (варианты 1 и 5) стальные листы характеризуются низкой пластичностью и ударной вязкостью, а также пониженной прочностью (вариант 5).

Таблица 3
Режимы кинетического отпуска и механические свойства листов
№ п/п	Тип стали	Параметры нагрева	Механические свойства
Т2, °С	V3, °С/ч	Т3, °С	HRC, ед.	σв, МПа	δ5, %	KCU, МДж/см2
1.	углеродистая легированная	140	38	170	55 56	1800 1850	5 5	0 0
2.	углеродистая легированная	150	39	180	52 54	1850 1900	6 7	4 5
3.	углеродистая легированная	160	47	190	53 53	1800 1850	6 8	6 7
4.	углеродистая легированная	170	54	200	50 52	1750 1750	6 6	5 6
5.	углеродистая легированная	175	55	210	42 44	1400 1430	5 5	1 1

Вариант 3. Кинетический отпуск закаленных листов на пониженную твердость и прочность.

Для данного вида металлопродукции при кинетическом отпуске осуществляют все те же операции, что и в варианте 2, только после достижения температуры Т₃=190°С вместо изотермической выдержки закаленные листы подвергают четвертой стадии нагрева со скоростью V₄=17°С/ч до температуры Т₄=230°С. По достижению этой температуры листы подвергают выдержке в течение времени τ=2 ч, после чего охлаждают.

В табл.3 приведены режимы кинетического отпуска на промежуточную прочность и твердость, а также механические свойства листов из углеродистой и легированной стали.

Из таблицы 3 следует, что при реализации кинетического отпуска в соответствии с предложенным способом (режимы 2-4) достигается сочетание высокой прочности при повышенной пластичности и ударной вязкости, благодаря чему конструкции из термически улучшенных листов могут быть использованы для изготовления методом пластического деформирования деталей бронезащитных конструкций. При запредельных значениях режимов (варианты 1 и 5) стальные листы характеризуются низкой пластичностью и ударной вязкостью, а также пониженной прочностью (вариант 5).

Таблица 4
Режимы кинетического отпуска и механические свойства листов
№ п/п	Тип стали	Параметры нагрева	Механические свойства
Т3, °С	V4, °С/ч	Т4, °С	HRC, ед.	σв, МПа	δ5, %	KCU, МДж/см2
1.	углеродистая легированная	170	9	200	47 47	1660 1670	6 7	7 7
2.	углеродистая легированная	180	10	210	47 46	1610 1630	8 8	9 10
3.	углеродистая легированная	190	17	230	46 48	1600 1650	9 10	11 11
4.	углеродистая легированная	200	24	250	48 49	1600 1640	9 11	10 10
5.	углеродистая легированная	205	25	260	38 39	1420 1450	6 7	8 8

Технико-экономические преимущества предложенного кинетического отпуска закаленной на реечный мартенсит высокопрочной стали позволяет за счет регламентирования скорости нагрева в различных температурных диапазонах максимально полно использовать резервы упрочнения, улучшения микроструктуры стали, упрочнения границ кристаллов мартенсита. Причем указанные преимущества реализуются при наиболее предпочтительном для потребителя уровне прочности изделий из углеродистой или легированной стали.

Обычный отпуск, принятый в способе-прототипе, по которому нагрев во всем температурном диапазоне ведут с максимально возможной скоростью до температуры изотермической выдержки 250°С, обеспечивает более низкие прочность и твердость при отсутствии у изделий из углеродистых и легированных сталей пластических и вязкостных свойств.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения

1. Ю.И.Матросов и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989 г., с.273-274.

2. Авт. свид. СССР №1516498, МПК С21D 6/00, 1989 г.

3. Ю.А.Башнин и др. Технология термической обработки. М.: Металлургия, 1986 г., с.400-401.

1. Способ кинетического низкотемпературного отпуска стального проката, закаленного на мартенсит, включающий его нагрев до температуры отпуска не выше 250°С и выдержку при температуре отпуска, отличающийся тем, что нагрев до температуры отпуска производят со скоростью 10-120°С/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при температуре отпуска 150-170°С нагрев осуществляют за две стадии, причем на первой стадии нагрев производят со скоростью 100-120°С/ч до температуры 100-130°С, при достижении которой нагрев на второй стадии ведут со скоростью 38-52°С/ч до температуры отпуска.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при температуре отпуска 180-200°С после достижения температуры 150-170°С производят третью стадию нагрева со скоростью 39-54°С/ч до температуры отпуска.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при температуре отпуска 210-250°С после достижения температуры 180-200°С производят четвертую стадию нагрева со скоростью 10-24°С/ч до температуры отпуска.