Способ комплексной термической обработки стали

Авторы патента:

Федосюк Александр Александрович (RU)

C21D1/18 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2503726:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянская государственная инженерно-технологическая академия" (RU)

Изобретение относится к термической обработке доэвтектоидных низколегированных сталей. Для обеспечения диспергированной структуры и ее композиционной гетерогенизации с формированием наноразмерных фрагментов, позволяющих получить высокие и стабильные механические свойства, заготовку из стали, содержащую С 0,15-0,25 мас.% и Mn 1,2-1,7 мас.%, нагревают до полной аустенитизации структуры, затем проводят ее охлаждение в печи до температуры выдержки 735-740°C или на воздухе до комнатной температуры с последующим нагревом до температуры выдержки 735-740°C, при этом выдержку осуществляют для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры, а охлаждение после выдержки ведут со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование многофазной микроструктуры, после чего проводят высокотемпературный отпуск-старение при 550°C в течение 2-2,5 часов. Перед нагревом до полной аустенитизации проводят предварительную нормализацию при температуре от 930°C. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к термической обработке доэвтектоидных низколегированных сталей и может быть преимущественно использовано при термической обработке сталей типа 20Г-20ГЛ.

Обычно с целью повышения предела текучести этих сталей вместо нормализации проводят их термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокотемпературного отпуска при 600-630°C [1]. Однако общий уровень прочностных свойств повышается при этом незначительно, а по значениям пластичности и ударной вязкости допускается даже снижение по сравнению с нормализованной сталью.

Известен способ термической обработки конструкционных сталей [2] (преимущественно для трубных изделий), включающий первый нагрев выше A_C3 и охлаждение в воде до комнатной температуры, второй нагрев в межкритический интервал температур A_C1-A_C3 и охлаждение в воде, высокий отпуск и охлаждение на воздухе. Способ обеспечивает получение высокой ударной вязкости низкоуглеродистых сталей, однако не позволяет существенно повысить уровень прочностных свойств сталей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки низколегированных, сталей, содержащих до 0,35% С, включающий комплекс операций: нагрев до гомогенной аустенитной структуры, охлаждение до межкритического интервала A_C1-A_C3 с выдержкой для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры, охлаждение до комнатной температуры со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование трехфазной ферритно-мартенситно-аустенитной микроструктуры [3].

Способ обеспечивает получение микрокомпозиционной структуры стали и ее высокие прочностные свойства. Однако способ не позволяет реализовать возможности более значительного повышения всего уровня механических свойств, в частности, ударной вязкости стали.

Задачей изобретения является создание в стали дисперсной многофазной структуры с нанокомпозитными фрагментами, состоящей из дисперсного полигонизованного феррита, зернистого бейнита (обладающего микро- и нанокомпозиционной субструктурой), зернистого троостосорбита и демпфирующих прослоек остаточного аустенита наноразмерной толщины.

Технический эффект - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств стали (предела текучести, предела прочности, пластичности и ударной вязкости).

Это достигается тем, что способ комплексной термической обработки заготовок из доэвтектоидных низколегированных сталей, содержащих С 0,15-0,25 мас.% и Mn 1,2-1,7 мас.%, включает нагрев заготовки до полной аустенитизации структуры, выдержку в межкритическом интервале A_c1-A_c3 для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры и охлаждение после выдержки со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование многофазной микроструктуры, при этом после нагрева заготовки до полной аустенитизации структуры проводят ее охлаждение в печи до температуры выдержки 735-740°C или на воздухе до комнатной температуры с последующим нагревом до температуры выдержки 735-740°C, после чего дополнительно осуществляют высокотемпературный отпуск-старение при 550°C в течение 2-2,5 часов.

Перед нагревом до полной аустенитизации проводят редварительную нормализацию при температуре от 930°C.

Суть изобретения состоит в использовании особенностей химического состава сталей типа 20Г-20ГЛ, связанных с повышенным содержанием сильного элемента-аустенитизатора (марганца), обеспечивающего в процессе комплексной термической обработки значительное диспергирование структуры и ее композиционную гетерогенизацию с формированием наноразмерных фрагментов.

При первом нагреве до температуры (A_C3+50°C) исходное зерно в результате фазовой перекристаллизации измельчается. Дополнительное измельчение обеспечивается и фазовой перекристаллизацией (полной при нормализации или частичной при охлаждении до межкритического интервала температур). При переводе температуры в критический интервал и достаточно длительной выдержке в этом интервале температур аустенитные участки равномерно располагаются в феррите. Марганец при этом избирательно перераспределяется между фазами, резко обогащая и стабилизируя участки аустенита. Феррит в процессе выдержки полигонизируется, сохраняя измельченную структуру. При быстром охлаждении (в воде) в процессе третьей операции в равномерно распределенных участках аустенита происходит частичное мартенситное превращение с сохранением локальных зон стабилизированного аустенита. Последующий отпуск при 550°C приводит к троосто-сорбитному распаду мартенсита и частичному бейнитному превращению остаточного аустенита, который сохраняется в небольших количествах в виде тонких прослоек наноразмерной толщины, обволакивающих дисперсные участки с бейнитно-троосто-сорбитной структурой и выполняющих роль демпфера при нагружении этих участков. Отпуск выполняет еще одну роль, обеспечивая старение части ферритных зерен, пересыщенных марганцем, с формированием в них субструктуры зернистого бейнита. Предварительная обработка стали по п.2 обеспечивает дополнительное измельчение структуры.

Таким образом, в результате предлагаемой комплексной термической обработки в низколегированных марганцевых сталях формируется многофазная композиционная структура с наноразмерными фрагментами. Такая структура обеспечивает значительное повышение всего комплекса механических свойств, включая такие важнейшие из них как предел текучести и ударная вязкость при отрицательных температурах.

Эксперименты проведены на стали 20ГЛ производства Бежицкого сталелитейного завода, содержащей, % масс: 0,22 С, 1,32 Mn, 0,35 Si, 0,07 Cr, 0,12 Ni, 0,10 Cu, 0,02 S и 0,03 P. Термическая обработка проводилась в лабораторной печи на заготовках толщиной 30 мм, вырезанных из стандартных литых трефовидных проб. Использованы 2 режима термической обработки (режимы 1 и 2), соответствующие п.1 формулы изобретения и 1 режим, соответствующий п.2 (режим 3):

1) нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение в печи со скоростью 0,12-0,17 град/с до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 1);

2) нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, нагрев до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 2);

3) нагрев до 930°C, выдержка 20 минут, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение в печи со скоростью 0,12-0,17 град/с до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 3);

Для сопоставления образцы из стали 20ГЛ подвергались термической обработке в соответствии с рекомендацией по ГОСТ 977-88: закалка в воде от 890°C, отпуск 630°C.

Параллельно проведены эксперименты по использованию режима-прототипа применительно к стали 25Л, содержащей 0,9% Mn и 0,35% Si при примерно таком же содержании других примесей, как и в стали 20ГЛ.

Из термообработанных заготовок вырезали образцы для металлографического анализа и механических испытаний.

Исследование структуры сталей проводилось на микроскопе Альтами МЕТ-1М при увеличениях от 100 до 1000 раз. Шлифы подвергались двойному травлению - ниталем и тепловому.

Механические испытания проводили на стандартных образцах, определяли предел прочности (временное сопротивление разрыву) σ_B, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ₅, относительное сужение Ψ и ударную вязкость KCU_-60 (при -60°C).

Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица
Сталь	Режим термической обработки	Механические свойства сталей
Сталь	Режим термической обработки	σ_B	σ_0,2	δ₅	Ψ	KCU_-60	НВ
МПа	%	Дж/см²
	1 (рис.1)	630-640	480-500	22-25	43-48	40-44	207-217
20ГЛ	2 (рис.2)	640-660	510-530	22-25	43-47	60-65	207-217
	3 (рис.3)	710-730	570-590	20-23	37-40	55-58	217-229
	По ГОСТ 977-88	580-600	390-400	15-18	25-30	32-35	197-207
25Л	По способу-прототипу [3]	580-600	400-420	14-16	25-30	20-25	229-241

Видно, что термическая обработка стали 20ГЛ по предлагаемым режимам 1-3 обеспечивает наиболее высокий уровень ее механических свойств. Значительно ниже свойства стали при использовании стандартной термической обработки в соответствии с ГОСТ 977-88.

Видны также преимущества предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом, используемым применительно к стали 25Л с пониженным содержанием марганца (до 0,9%), хотя в этом случае более высокое содержание углерода и использование режима-прототипа обеспечило повышенные прочностные свойства стали (например, σ_0,2=400-420 МПа вместо минимальных значений ~300 МПа по ГОСТ 977-88).

Источники информации

1. ГОСТ 977-88.

2. Патент РФ №2096495, кл. C21D 9/08, C21D 8/10, 1997.

3. Заявка US 02/40126 от 12.12.2002, публикация WO 03/052153 (26.06.2003), публикация заявки в РФ 20.02.2007.

1. Способ комплексной термической обработки заготовок из доэвтектоидных низколегированных сталей, содержащих С 0,15-0,25 мас.% и Mn 1,2-1,7 мас.%, включающий нагрев заготовки до полной аустенитизации структуры, выдержку в межкритическом интервале Ac₁-Ac₃ для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры и охлаждение после выдержки со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование многофазной микроструктуры, отличающийся тем, что после нагрева заготовки до полной аустенитизации структуры проводят ее охлаждение в печи до температуры выдержки 735-740°C или на воздухе до комнатной температуры с последующим нагревом до температуры выдержки 735-740°C, после чего дополнительно осуществляют высокотемпературный отпуск-старение при 550°C в течение 2-2,5 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед нагревом до полной аустенитизации проводят предварительную нормализацию при температуре от 930°C.

Изобретение относится к области производства материалов для броневых изделий и конструкций, подвергающихся воздействию динамических нагрузок. Способ производства листовой стали включает сварку взрывом тыльного и лицевого слоев стали.

Способ изготовления штампованных изделий и штампованные изделия, изготовленные этим способом // 2499847

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения коррозионной стойкости стального листового изделия и обеспечения хорошей свариваемости осуществляют предварительное покрытие стальной полосы или листа алюминием, или алюминиевым сплавом, резку указанной стального листа или полосы с предварительным покрытием для получения стальной заготовки с предварительным покрытием, нагрев заготовки в предварительно нагретой печи до температуры и в течение времени согласно диаграмме в соответствии с толщиной заготовки при средней скорости нагрева Vc в температурном диапазоне от 20 до 700°C, составляющей от 4 до 12°C/с и при скорости нагрева Vc' в температурном диапазоне от 500 до 700°C, составляющей от 1,5 до 6°C/с, затем перемещение указанной нагретой заготовки к штамповочному прессу, горячую штамповку нагретой заготовки в штамповочном прессе для получения горячештампованного стального листового изделия, охлаждение нагретой заготовки от температуры на выходе из печи до температуры 400°C при средней скорости охлаждения, по меньшей мере, 30°C/с.

Рельсы из перлитной стали с превосходной износостойкостью и ударной вязкостью // 2485201

Изобретение относится к области металлургии, а именно к рельсам из перлитной стали, используемым на грузовых железных дорогах. .

Способ термической обработки стали // 2481406

Перлитные рельсы // 2476617

Изобретение относится к области металлургии, а именно к имеющим перлитную структуру железнодорожным рельсам, используемым на кривых с малым радиусом кривизны. .

Способ производства низкоуглеродистой холоднокатаной тонколистовой стали // 2471876

Изобретение относится к прокатному производству, в частности к изготовлению тонколистовой низкоуглеродистой холоднокатаной стали для штамповки. .

Способ производства листа из электротехнической стали с ориентированным зерном // 2465348

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству листа из электротехнической стали. .

Рельс с перлитной структурой, обладающий превосходным сопротивлением абразивному износу и отличной ударной вязкостью // 2461639

Изобретение относится к области металлургии, а именно к железнодорожному рельсу с перлитной структурой. .

Способ изготовления стальных листов с высокими характеристиками прочности и пластичности и листы, изготовленные при помощи этого способа // 2451764

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению горячекатаных листов и деталей из многофазных сталей, используемых в автомобилестроении. .

Многофункциональные антифрикционные наноструктурированные износостойкие демпфирующие с эффектом памяти формы сплавы на метастабильной основе железа со структурой гексагонального -мартенсита и изделия с использованием этих сплавов с эффектом самоорганизации наноструктурных композиций, самоупрочнения и самосмазывания поверхностей трения, с эффектом самогашения вибраций и шумов // 2443795

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к литым и порошковым наноструктурированным высокопрочным метастабильным сплавам на основе железа со структурой гексагонального -мартенсита и изделиям из них.

Способ термической обработки стали // 2502809

Изобретение относится к области термической обработки стали. Для повышения прочности и пластичности стали 30ХГСА ее нагревают в расплаве NaCl-KCl до температуры 900°C, выдерживают 2 часа, закаливают в масле, затем осуществляют трехкратную закалку с нагревом в этом же расплаве до 900°C с изотермической выдержкой в течение 10 сек и закалкой в масле, и проводят последующий низкий отпуск при температуре 200°C в течение 1 часа.

Способ улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой // 2501866

Изобретение относится к области черной металлургии. Для улучшения магнитных свойств и физико-механических свойств более устойчивых к эксплуатационным воздействиям анизотропной электротехнической стали Fe-3% стальные листы толщиной 0,05-0,50 мм, подвергнутые отжигу для вторичной рекристаллизации и имеющие изоляционные конечные покрытия, обрабатывают лазером непрерывного излучения путем сканирования движущегося листа в поперечном направлении относительно направления его движения, при этом в зонах лазерной обработки стальных листов, дополнительно насаждают локальные дефекты и одновременно формируют пластической деформацией локальное поверхностное сжатие на глубину не более 1/4 толщины листа стали, причем в качестве основы дефектов применяют слабомагнитные порошкообразные вещества, имеющие намагниченность насыщения 200-500 Гс, которые насыпают на поверхность стальных листов, или наносят магнитоактивным покрытием, или дополнительно насыпают на покрытие, а на заключительной стадии обработки осуществляют низкотемпературный отпуск в диапазоне 500-550°C.

Способ упрочнения изделий из твердых сплавов // 2501865

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технике вакуумно-плазменного напыления путем нанесения металлосодержащих покрытий на изделия из твердых сплавов.

Способ термомеханической обработки трубы // 2500821

Изобретение относится к области металлургии и нефтяного машиностроения и может быть использовано для изготовления и ремонта насосно-компрессорных труб (НКТ). Для обеспечения высокого комплекса прочностных свойств и мелкозернистой однородной структуры концы труб нагревают до Ас3+(180÷230)°C, затем фиксируют трубу одновременно в двух местах: в матрице и с помощью зажима на расстоянии 500÷4500 мм от высаживаемого конца трубы.

Пресс для закалки дисков в водоохлаждаемых штампах // 2499841

Изобретение относится к устройствам для термической обработки стали и может быть использовано в тракторо- и автомобилестроении, преимущественно при восстановлении или ремонте фрикционных дисков коробок передач.

Способ удлинения сваи // 2499655

Изобретение относится к строительству, в частности к свайным фундаментам, закладываемым в грунты с вечной мерзлотой. Способ включает разделку торцов элементов сваи.

Способ охлаждения горячей полосы, наматываемой в рулон горячей полосы, устройство для охлаждения рулона горячей полосы, устройство управления и/или регулирования и полоса металла // 2499644

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения контролируемого равномерного охлаждения рулона горячей полосы и получения однородных свойств рулон (1) горячей полосы (2) размещают в устройстве промежуточного хранения, при этом рулон опирают и вращают (100) посредством контакта его боковой поверхности (5) с, по меньшей мере, одним элементом для охлаждения в виде ролика (3, 7).

Способ производства толстолистовой стали // 2499059

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано для получения листовой стали на толстолистовых реверсивных станах. Для повышения производительности процесса способ включает нагрев слябов, черновую прокатку в раскат промежуточной толщины, охлаждение раската и последующую его многопроходную чистовую прокатку с регламентированной температурой начала и конца прокатки в лист конечной толщины, при этом охлаждение раската осуществляют путем возвратно-поступательного перемещения по водоохлаждаемым роликам, внутренняя полость бочки которых предварительно заполнена шариками из теплопроводящего материала.

Стенд для закалки валов и трубных деталей // 2499058

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к термической обработке деталей с использованием индукционного нагрева. Для предохранения от окисления и улучшения качества внутренней поверхности детали осуществляют закалку детали с нагрева токами высокой частоты при одновременной подаче охлаждающей жидкости на внутреннюю и наружную поверхности трубных деталей в стенде, который содержит стойку, гидравлический подъемник, приспособление, состоящее из верхнего центра, корпуса и пружины сжатия, нижнего центра, индуктора, узла управления подачи охлаждающей жидкости, при этом в верхнем центре выполнены каналы с определенными сечением и углом для подачи и равномерного распределения охлаждающей жидкости на внутренней поверхности трубной детали.

Ствол автоматического стрелкового оружия, изготовленный методом холодного радиального обжатия, и способ его местной закалки // 2498185

Группа изобретений относится к области военной техники и может быть использована при создании автоматического стрелкового оружия, например стволов единых пулеметов, изготовленных методом холодного радиального обжатия.

Способ термической обработки конструкционных сталей на высокопрочное состояние // 2506320

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке конструкционных сталей. Способ включает закалку конструкционной стали на мартенсит с последующим воздействием на нее пульсирующего дозвукового воздушного потока с определенными частотой и звуковым давлением при комнатной температуре. Техническим результатом изобретения является сокращение продолжительности технологического процесса упрочняющей термической обработки конструкционных сталей при сохранении высоких значений показателей твердости и прочности и обеспечении достаточной надежности.