Способ упрочнения аустенитной немагнитной стали
Владельцы патента RU 2405840:
Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано в машиностроительной и других областях промышленности, которые являются потребителями аустенитных сталей повышенной прочности и пластичности. Для повышения предела текучести аустенитной стали при сохранении высокого уровня характеристик пластичности и ударной вязкости сталь нагревают до 1150-1250°С, охлаждают до температуры 950-1100°С, проводят пластическую деформацию на 30% при указанных температурах с последующей выдержкой на воздухе в течение 60±5 секунд и охлаждение в воде. 1 табл.
Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано в машиностроительной и других областях промышленности, которые являются потребителями аустенитных сталей повышенной прочности и пластичности.
В металловедении конструкционных материалов известны и широко применяются различные методы упрочнения, включающие пластическую деформацию.
Известен способ упрочнения стали, включающий закалку и холодную (при комнатной температуре) деформацию [Дзугутов М.Я. Пластическая деформация высоколегированных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1977, 479 с.]. Этот способ упрочнения позволяет увеличивать прочностные свойства стали (временное сопротивление σВ (предел прочности) и предел текучести σ0,2), но при этом снижаются характеристики пластичности (относительное удлинение δ и относительное сужение ψ), а также уменьшается ударная вязкость KCV. Указанные изменения механических свойств происходят в результате увеличения плотности дислокации в матрице.
Поскольку холодная пластическая деформация приводит к неравномерному распределению дислокации, то в областях их скопления могут возникать сильные напряжения, которые обусловливают образование микро и макротрещин. Появление трещин приводит к преждевременному разрушению сталей с уменьшением указанных выше параметров пластичности и ударной вязкости.
Известен так же способ упрочнения, включающий закалку и теплую (при 400-600°С) деформацию [Орлов А.Р., Тюрин Л.Н., Грибовский В.К., Чернича Л.Е., Лысов Д.С. Теплая деформация металлов. Минск: Наука и техника, 1978, 415 с.]. При этом способе упрочнения из-за повышенных температур деформации плотность дислокации в стали уменьшается, поэтому снижение характеристик δ, ψ и KCV происходит слабее, чем при холодной деформации. Уменьшается также неоднородность в распределении дислокации, что снижает вероятность образования трещин.
Однако получить одновременно высокие значения прочностных свойств (σ0,2, σВ), характеристик пластичности и ударной вязкости (δ, ψ, KCV) все же не удается.
Наиболее близким к заявляемому является способ упрочнения аустенитной немагнитной стали, включающий нагрев материала до температур, отвечающих области стабильного аустенита (1150-1250°С), охлаждение до температур 950-1100°С, при которых осуществляется высокотемпературная деформация, в частности, на 30%, с последующим охлаждением в воде [Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка стали. Том 2. С.695-1024. М.: Металлургия, 1968]. В этом способе высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) из-за высоких температур деформации (950-1100°С) плотность дислокации уменьшается еще больше, чем в способе упрочнения, включающем теплую (при 400-600°С) деформацию. Это обусловлено тем, что при высоких температурах деформации реализуется значительная подвижность дислокации, которые легко взаимодействуют друг с другом и аннигилируют. В результате протекания указанных процессов пластические и вязкостные свойства (δ, ψ, KCV) снижаются незначительно и трещины в материале отсутствуют.
Однако этот известный способ обладает следующими недостатками. Так сталь, упрочненная этим способом, имеет недостаточно высокий уровень значений предела текучести, величина которого влияет на допустимую нагрузку на изделия из этой стали. Это обусловлено тем, что при ВТМО происходит разупрочнение аустенита за счет облегченного протекания процесса аннигиляции дислокаций, отвечающих за прочностные свойства.
В основу изобретения положена задача повышения предела текучести аустенитных сталей при сохранении высокого уровня характеристик пластичности и ударной вязкости.
Поставленная задача решается тем, что в способе упрочнения аустенитной немагнитной стали, включающем ее нагрев до температур 1150-1250°С, отвечающих области стабильного аустенита, охлаждение до температур 950-1100°С, пластическую деформацию на 30% при указанных температурах и охлаждение в воде, согласно изобретению, после пластической деформации при 950-1000°С сталь выдерживают на воздухе в течение 60±5 секунд.
Технический результат в предлагаемом способе упрочнения достигается тем, что после нагрева материала до 1150-1250°С, температур, отвечающих области стабильного аустенита, и последующей высокотемпературной пластической деформации при 950-1100°С на 30% проводится минутная пауза, в течение которой материал остывает на воздухе в течение 60±5 секунд в области температур распада пересыщенного твердого раствора. Затем материал охлаждается в воде.
Нагрев до температур 1150-1250°С, отвечающих области стабильного аустенита, проводится для того, чтобы растворить в аустените нитриды хрома и ванадия, которые выделились в процессе горячего передела металла.
Последующую высокотемпературную пластическую деформацию при 950-1100°С проводят для формоизменения и упрочнения аустенита за счет появления в нем дислокаций.
Авторами было обнаружено, что, выдерживание стали на воздухе в течение 60±5 секунд после высокотемпературной пластической деформации обеспечивает ее охлаждение до температур, при которых происходит распад перенасыщенного твердого раствора, что дополнительно упрочняет сталь, за счет выделения в аустените интерметаллидов - нитридов ванадия и хрома.
Кроме того, необходимо отметить, что предлагаемый новый способ упрочнения не требует применения какого-либо дополнительного оборудования и его можно осуществить на том же прокатном стане, что и в случае использования известного метода упрочнения.
Таким образом, предлагаемый способ упрочнения позволяет повысить предел текучести аустенитных сталей при сохранении высокого уровня характеристик пластичности и ударной вязкости.
И, кроме того, достаточно технологичен и прост в условиях реального производства.
Пример. В качестве материала, упрочненного известным и предлагаемым методами, используем аустенитную сталь следующего состава: (мас %) 0,05 С; 19,0 Сr; 10,0 Мn; 5,88 Ni; 1,62 Мо; 0,5 N; 0,32 V; 0,18 Nb; 0,005 S; 0,012 P; ост. Fe.
Слиток весом 25 кг лабораторной выплавки, изготовленный на опытном производстве ЦНИИ «Прометей», ковали на заготовку, которая затем была разрезана на пластины 14×60×80 мм. Пластины помещали в печь, нагретую до 1200°С, выдерживали в ней в течение 20 мин, после чего переносили в другую печь, находящуюся около прокатного стана и нагретую до определенной температуры деформации Тд (950, 1000, 1050, 1100°С). После изотермической выдержки 15 мин при каждой Тд заготовки деформировали на 30% за один проход и охлаждали в воде (известный способ упрочнения). Другую партию заготовок после деформации при Тд выдерживали на воздухе 60±5 секунд (пауза), после чего пластину охлаждали в воде (заявляемый способ упрочнения).
Из упрочненных заготовок изготавливали образцы для испытаний на растяжение на установке FP-100 и ударный изгиб на установке ПСВ-30. Временное сопротивление σВ, предел текучести σ0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ определяли на пятикратных образцах с диаметром рабочей части 4 мм. Ударную вязкость KCV определяли при комнатной температуре на образцах сечением 10×10 мм и длиной 55 мм. В середине ударного образца делали V-образный надрез глубиной 2 мм. Кроме того, рассчитывали значение Δσ0,2/σ0,2 (в %), где Δσ0,2=σ*0,2-σ0,2; σ*0,2 и σ0,2 - пределы текучести после предлагаемого и известного методов упрочнения соответственно. Результаты испытаний представлены в таблице
После упрочнения известным способом в стали возникает структура, типичная для материалов после высокотемпературной термомеханической обработки [Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка стали. Том 2. С.695-1024. М.: Металлургия, 1968]: вытянутые зерна, границы которых в некоторых случаях имеют зубчатое строение. Внутри зерен наблюдается достаточно высокая плотность дислокации. После закалки от 1200°С в воде механические свойства стали имеют следующие значения: σВ=921 МПа; σ0,2=551 МПа; δ=52,1%; ψ=63,7%; KCV = 166,9 Дж/см2. Благодаря появлению в аустените дислокации после упрочнения по известному методу σВ и σ0,2 увеличиваются, а δ, ψ и KCV снижаются.
В предлагаемом способе после проведения высокотемпературной деформации образец выдерживали в течение 60±5 секунд на воздухе (пауза) и затем закаливали в воде. Во время паузы образец находится в области температур, при которых происходит распад пересыщенного твердого раствора с выделением нитридов ванадия и хрома, что обусловливает дополнительное повышение предела текучести. При всех температурах деформации ТД (950, 1000, 1050, 1100°С) одноминутная пауза дает выигрыш в пределе текучести. Наибольший прирост предела текучести достигается при ТД=1100°С. Уменьшение или увеличение Тд обусловливает меньший прирост предела текучести. В первом случае из-за уменьшения степени распада твердого раствора, а во втором - из-за сильного развития процессов возврата и рекристаллизации.
| Таблица | |||||||||
| обработка | Тд, °С | σ0,2 МПа | σВ МПа | δ % | ψ % | KCV Дж/см2 | Δσ0,2 МПа | Δσ0,2/σ0,2 % | |
| № | |||||||||
| 1 | Закалка(от | ||||||||
| 1200°С в воде), | 950 | 870 | 1075 | 31,3 | 51,0 | 81 | |||
| охлаждение до | 1000 | 863 | 1019 | 31,7 | 51,0 | 104,6 | |||
| температуры | 1050 | 828 | 990 | 31,7 | 53,3 | 111,3 | |||
| деформации | 1100 | 729 | 941 | 34,3 | 51,0 | 120,3 | |||
| ТД, прокатка на | |||||||||
| 30% при ТД, | |||||||||
| охлаждение в | |||||||||
| воде | |||||||||
| (известный | |||||||||
| метод | |||||||||
| упрочнения) | |||||||||
| 2 | Закалка(от | ||||||||
| 1200°С в воде), | 950 | 913 | 1061 | 29,7 | 49,0 | 82,5 | 43 | 5 | |
| охлаждение до | 1000 | 923 | 1072 | 26,3 | 41,2 | 86,7 | 60 | 7 | |
| температуры | 1050 | 864 | 1015 | 31,3 | 49,0 | 111,7 | 36 | 4 | |
| деформации | 1100 | 822 | 1015 | 34,7 | 60,2 | 109,3 | 93 | 13 | |
| Тд, прокатка на | |||||||||
| 30% при ТД, | |||||||||
| минутная | |||||||||
| пауза, | |||||||||
| охлаждение в | |||||||||
| воде | |||||||||
| (заявляемый | |||||||||
| метод | |||||||||
| упрочнения) |
Сравним пределы текучести стали, полученные после известного и предложенного способов упрочнения (см. таблицу) при ТД=1100°С. Во втором случае предел текучести увеличивается на 13% (от 729 до 822 МПа) и при этом пластические свойства (δ, ψ), KCV) остаются на высоком уровне (таблица).
Преимущество предлагаемого метода состоит еще и в том, что для упрочнения сталей в промышленных условиях требуется прокатный стан низкой мощности, поскольку ТД высокая.
Способ упрочнения аустенитной немагнитной стали, включающий ее нагрев до 1150-1250°С, охлаждение до температур 950-1100°С, пластическую деформацию на 30% при указанных температурах, последующую выдержку на воздухе в течение 60±5 с и охлаждение в воде.
