Способ термической обработки полуфабрикатов из низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей

Изобретение относится к технологии термической обработки поковок, предназначенных для изготовления деталей и узлов, работающих при низких температурах, например, контейнеров для перевозки и длительного хранения (более 50 лет) отработавшего ядерного топлива. Техническим результатом изобретения является повышение хладостойкости низкоуглеродистых сталей. Поставленный технический результат достигается за счет того, что полуфабрикат подвергают закалке с температуры выше критической точки А_с3, высокому отпуску в диапазоне температур 620-670°С с охлаждением на воздухе и дополнительному отпуску в диапазоне температур 400-450°С с выдержкой 3-3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе. 2 табл.

 

Изобретение относится к технологии термической обработки поковок, предназначенных для изготовления деталей и узлов, работающих при низких температурах, например, контейнеров для перевозки отработавшего ядерного топлива.

Известны способы термической обработки поковок из сталей перлитного класса, позволяющие снизить в них внутренние напряжения и повысить вязкопластические свойства (Гуляев А.П. «Металловедение», М. изд-во «Металлургия», 1977 г., стр.275-281).

Известен способ термической обработки низкоуглеродистых сталей, состоящий из отжига или нормализации, который позволяет снизить внутренние напряжения и повысить хладостойкость.

Согласно известному способу поковки нагревают до температуры выше точки А_с3, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают с печью или на воздухе. Недостатком этого способа является выделение из аустенита в процессе охлаждения ферритоперлитной смеси с пластинчатой формой цементита и предвыделений третичного цементита, которые приводят к охрупчиванию стали при низкой температуре. (В.Г.Сорокин, А.В.Волосников и др. «Марочник сталей и сплавов», Москва, изд-во «Машиностроение», 1989 г.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ термической обработки низкоуглеродистых сталей, включающий закалку с температурой 840-870°С, охлаждение в воде, высокий отпуск при температуре 620-670°С с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. (Ю.П.Солнцев, Т.И.Титова, Книга «Стали для Севера и Сибири», Санкт-Петербург, Химиздат, 2002 г., стр.306-307).

Недостатком известного способа, как установлено исследованиями, является недостаточная хладостойкость низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей за счет возникновения в них зон предвыделений третичного цементита при охлаждении после отпуска.

Техническим результатом изобретения является повышение хладостойкости низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей.

Поставленный технический эффект достигается за счет того, что в способе термической обработки полуфабрикатов из низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей, включающем закалку с температуры выше критической точки А_с3, последующий высокий отпуск в диапазоне температур 620-670°С, с охлаждением на воздухе, согласно изобретению, после высокого отпуска проводят дополнительный отпуск в диапазоне температур 400-450°С с выдержкой 3-3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Как установлено исследованиями, нагрев под закалку до температуры 930÷20°С вызван необходимостью растворения в аустените карбидов и нитридов ванадия и ниобия, повторный нагрев при отпуске до температуры 400-450°С необходим для коагуляции третичного цементита. Известно, что после закалки и высокого отпуска низкоуглеродистые ферритоперлитные стали приобретают сорбитную структуру, т.е. ферритоцементитную смесь, где цементит имеет округлую форму.

Однако высокий отпуск в диапазоне температур 620-670°С с охлаждением на воздухе приводит к образованию в стали участков с предвыделениями третичного цементита, что резко снижает хладостойкость стали. Вызвано это тем, что предвыделения третичного цементита имеют параметры решетки, отличные от матрицы, и в последней создают растянуто-сжатые области, что приводит к возникновению напряжений 2 рода, которые снижают хладостойкость стали.

В процессе проведенных исследований с помощью программы Image Expert Professional проведен количественный анализ структурно-фазового состояния исследуемых сталей, количественное определение относительной доли структурных составляющих и определение количественного содержания фаз, входящих в состав исследуемого образца, было установлено, что выделение третичного цементита происходит после дополнительного отпуска при температуре 350°С, а коагуляция его происходит при температуре 400-450°С (таблица 2).

Время выдержки при температуре 400-450°С, равное 3-3,5 ч, необходимо и достаточно для завершения процесса коагуляции третичного цементита.

Установлено также, что при температуре отпуска 350°С происходит охрупчивание стали из-за предвыделений и мелких включений третичного цементита.

Повышение температуры выше 450°С приводит к растворению третичного цементита и при последующем охлаждении - к образованию его предвыделений, а снижение температуры ниже 400°С сразу приводит к образованию предвыделений и мелких цементитных включений и, как следствие, в одном и другом случае имеет место охрупчивание стали.

Пример выполнения заявленного способа.

На металлургическом заводе ОАО «ОМЗ-Спецсталь» была выплавлена низкоуглеродистая ферритоперлитная сталь марки 09Г2СА-А, химический состав которой приведен в таблице 1.

Таблица 1
Химический состав стали 09Г2СА-А
Марка стали	Содержание элементов, мас.%
С	Si	Mn	Р	S	Cr	Ni	Cu	V	Nb
09Г2СА-А	0,007	0,58	1,38	0,008	0,005	0,18	0,21	0,15	0,04	0,03

Из этой стали была изготовлена крупногабаритная поковка размером ⌀1000×900 мм. Из поковки были вырезаны заготовки размером 20×20×60 мм, которые были подвергнуты закалке с температуры 930÷20°С в воде и высокому отпуску при температуре 620, 670 и 650°С с выдержкой в течение 2,5 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Затем заготовки после основной термической обработки подвергли дополнительному отпуску при температуре 350, 400, 450 и 500°С с выдержкой 3,0 и 3,5 ч.

Из этих заготовок были изготовлены ударные образцы «Шарпи» с острым надрезом и испытаны при температуре -60°С по ГОСТ 9454. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2
Влияние режимов термической обработки на хладостойкость стали марки 09Г2СА-А
Способ	Параметры способа	Структура	Свойства
Предлагаемый	Закалка, °С	Отпуск, °С	Дополнит. отпуск, °С	Выдержка, ч	Мелкие карбиды, %	Скоагулированные карбиды, %	Ударная вязкость KCV-60 Дж/см2
	930	620	350	3,0	7,9	2,3	12
			400	3,5	6,1	4,3	114
			450	3,0	5,8	4,9	117
	500	3,5	7,4	3,1	56
	930	670	350	3,0	8,3	2,7	15,0
			400	3,5	6,5	4,4	130,0
			450	3,0	6,0	5,1	132,0
500	3,5	7,5	3,5	68,0
Известный	930	650	-	-	5,0	6,0	10,0
Примечание:
1. Требование НТД:KCV-60≥29 Дж/см2
2. Исходное состояние основного металла: - закалка + высокий отпуск.
3. Результаты испытаний усреднены по 3-м образцам на точку.
4. Испытания на ударный изгиб при температуре -60°С проводились на образцах V-образных надрезом, тип 11, изготовленным в соответствии с ГОСТ 6454-78.
5. Контроль микроструктуры осуществлялся при увеличении 1000 крат на металлографическом микроскопе «UNIMET SERIES MR», оснащенном цифровой камерой EPSON 3100Z, с последующей компьютерной обработкой.

Как видно из полученных результатов образцы, обработанные по предлагаемому способу, имеют более высокие значения хладостойкости по сравнению с образцами, термообработанные по известному способу.

Ожидаемый технико-экономический эффект по сравнению с прототипом выразится в возможности создания новых изделий специальной техники повышенной надежности и долговечности из экономнолегированной низкоуглеродистой ферритоперлитной стали за счет повышения ее хладостойкости.

Способ термической обработки полуфабрикатов из низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей, включающий закалку с температуры выше критической точки А_с3, последующий высокий отпуск в диапазоне температур 620-670°С с охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что после высокого отпуска проводят дополнительный отпуск в диапазоне температур 400-450°С с выдержкой 3-3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе.