Способ термической обработки коррозионно-стойких мартенситностареющих сталей


 


Владельцы патента RU 2535889:

Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" (RU)

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке высокопрочных коррозионно-стойких мартенситностареющих сталей криогенной техники, и может быть использовано в энергетическом машиностроении при изготовлении высоконагруженных упругих металлических уплотнений разъемных соединений энергетических установок, работающих в агрессивных средах при температурах от 20 до 723К. Коррозионно-стойкую мартенситностареющую сталь мартенситного класса, содержащую 0,03% углерода, 10,5% хрома, 8,0% никеля, 4,5% кобальта, 1,8% молибдена, 0,3% ванадия, остальное железо и примеси, подвергают термической обработке, включающей высокотемпературную аустенизацию при 950÷1150°C, совмещенную с горячей пластической деформацией, нагрев и изотермическую выдержку в температурном интервале 580÷620°C для тепловой стабилизации вторичного аустенита, низкотемпературную аустенизацию в температурном интервале 740÷770°C, закалку от температуры 740÷770°C, обработку холодом при -70°C и старение при 500°C. Техническим результатом изобретения является повышение структурной стабильности и сопротивления водородной хрупкости высокопрочных коррозионно-стойких мартенситностареющих сталей, предназначенных для изготовления высоконагруженных упругих металлических уплотнений криогенной техники. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке высокопрочных коррозионно-стойких мартенситностареющих сталей криогенной техники, и может быть использовано в энергетическом машиностроении при изготовлении высоконагруженных упругих металлических уплотнений разъемных соединений энергетических установок, работающих в агрессивных средах при температурах от 20 до 723К.

Известен способ термомеханической обработки мартенситной стали, включающий нагрев до температуры аустенизации, горячую пластическую деформацию, последеформационную выдержку, охлаждение и отпуск [патент РФ №2055911, C21D 8/00]. Этот способ обеспечивает требуемое деформационное упрочнение мартенситностареющих сталей криогенной техники, однако при этом формируется преимущественно мартенситная структура, склонная к хладноломкости.

Для повышения сопротивления хладноломкости мартенситных сталей известны способы термической обработки, основанные на тепловой стабилизации аустенита с формированием двухфазной аустенитно-мартенситной структуры. В частности, известен способ термической обработки коррозионно-стойкой мартенситностареющей стали марки 08Х15Н5Д2Т (ВНС-2), включающий закалку от 950°C, охлаждение и изотермическую выдержку в межкритическом интервале МН÷МК, немедленный стабилизирующий отпуск при 250°C, обработку холодом и окончательный отпуск [Потак Я.М. Высокопрочные стали. М.: Металлургия, 1972, 208 с.]. В результате такой обработки в мартенситной стали формируется до 20% остаточной аустенитной фазы, что позволяет повысить сопротивление хрупкому разрушению при низких температурах.

Тепловая стабилизации аустенита в данном случае основана на закреплении дислокаций примесями внедрения по механизму деформационного старения, что приводит к замедлению прямого γ→α мартенситного превращения. Однако такого рода тепловая стабилизация слабо выражена в безуглеродистых мартенситностареющих сталях криогенной техники вакуумной выплавки, что связано с минимальным количеством примесей внедрения и практическим отсутствием эффекта деформационного старения.

Известны способы термической обработки, основанные на тепловой стабилизации вторичного (ревертированного) аустенита в процессе термоциклирования в межкритическом интервале АС1÷АС3 обратного α→γ превращения. В частности, известен способ термической обработки, включающий многократную закалку (аустенизацию) от температуры 820°C, не превышающей порога рекристаллизации аустенита после фазового наклепа [Перкас М.Д. Структура, свойства и области применения высокопрочных мартенситностареющих сталей // МиТОМ, 1985. №5. С.23-33]. Недостатком этого способа является необходимость проведения многократной закалки (от трех до пяти раз) для стабилизации требуемого количества аустенитной фазы, а также недостаточная деформационная устойчивость сформированной таким образом аустенитной фазы.

Наиболее близким техническим решением является способ термической обработки мартенситностареющей стали, включающий предварительную многократную закалку (аустенизацию) для измельчения аустенитного зерна, нагрев и изотермическую выдержку в межкритическом интервале обратного превращения для тепловой стабилизации вторичного аустенита, низкотемпературную аустенизацию, закалку, стабилизирующий отпуск и старение [авторское свидетельство СССР №541876, C21D 1/78]. Этот способ позволяет обеспечить требуемое количество аустенитной фазы, однако формируемая таким образом аустенитная фаза имеет недостаточно высокую устойчивость (стабильность) по отношению к мартенситному превращению при пластической деформации в криогенных средах. В условиях эксплуатации высоконагруженных металлических уплотнений разъемных соединений криогенной техники, имеющих герметизирующие гальванические покрытия, такого рода структурная нестабильность приводит к отслоению герметизирующего покрытия, а также к преждевременному разрушению уплотнений по механизму водородной хрупкости и многоцикловой усталости.

Задача изобретения - создание способа термической обработки, позволяющего повысить структурную стабильность и сопротивление водородной хрупкости высокопрочных коррозионно-стойких мартенситностареющих сталей криогенной техники, имеющих двухфазную аустенитно-мартенситную структуру.

Задача решена за счет того, что в способе термической обработки, включающем высокотемпературную аустенизацию, совмещенную с горячей пластической деформацией, нагрев и изотермическую выдержку в межкритическом интервале обратного α→γ превращения, низкотемпературную аустенизацию, закалку и старение, изотермическую выдержку проводят в температурном интервале на 20÷60°C выше точки начала обратного превращения АС1, низкотемпературную аустенизацию проводят выше точки конца обратного превращения АС3 в температурном интервале АС3÷АС3+30°C, а после охлаждения с температуры закалки проводят обработку холодом при -70°C.

Другое отличие состоит в том, что высокотемпературную аустенизацию, совмещенную с горячей пластической деформацией, проводят при 950÷1150°C, изотермическую выдержку в межкритическом интервале проводят при 580÷620°C, а низкотемпературную аустенизацию проводят в температурном интервале 740÷770°C.

В процессе термической обработки по предложенному способу формируется до 25% стабильного аустенита в виде тонких фазонаклепанных прослоек между рейками пакетного мартенсита. Механизм тепловой стабилизации в данном случае основан на диффузионном обогащении никелем аустенитной фазы в процессе обратного α→γ мартенситного превращения, протекающего с признаками нормального (диффузионного) превращения. Кроме того, определенный вклад в стабилизацию вносит дисперсность аустенитной фазы, а также упругие напряжения сжатия аустенитных прослоек между мартенситными кристаллами, вызванные объемными изменениями в процессе полиморфного ГЦК→ОЦК превращения.

Проведение высокотемпературной аустенизации и горячей пластической деформации при 950÷1150°C позволяет сформировать развитую дислокационную субструктуру металла и обеспечить требуемую геометрическую форму кольцевых заготовок уплотнительных элементов.

Проведение изотермической выдержки в первой половине межкритического интервала АС1÷АС3 (при температуре на 20÷60°C выше точки АС1) повышает степень обогащения никелем дисперсной γ-фазы и ее структурную стабильность. При температуре ниже АС1+20°C образуется недостаточное количество дисперсной γ-фазы, при температурах выше АС1+60°C эта фаза менее обогащена никелем и имеет недостаточную структурную стабильность по отношению к мартенситному превращению.

Последующий нагрев до температуры полной аустенизации, но не выше порога рекристаллизации после фазового наклепа, позволяет сохранить фазовый наклеп и концентрационную неоднородность аустенитной фазы. При температуре выше АС3+30°C происходят диффузионные процессы гомогенизации и рекристаллизации аустенитной матрицы, что уменьшает количество стабильной аустенитной фазы. При температурах ниже АС3 (неполная аустенизация) сохраняется некоторое количество мартенсита высокого отпуска, что ухудшает прочностные свойства стали.

Проведение обработки холодом при температуре -70°C (ниже точки конца мартенситного превращения) необходимо для максимально полного мартенситного превращения и исключения из фазового состава микрообъемов нестабильной аустенитной фазы.

Старение при 500°C на заключительном этапе термической обработки повышает прочностные свойства по механизму дисперсионного упрочнения мартенсита, при этом "мягкие" прослойки дисперсной γ-фазы обеспечивают высокое сопротивление хрупкому разрушению при криогенных температурах.

Заготовки горячекатанного прутка нагревали до температуры аустенизации 1150°C и подвергали горячей пластической деформации ковкой в температурном интервале 950÷1150°C, охлаждение на воздухе. Затем кованные заготовки повторно нагревали до температуры аустенизации 1150°C и подвергали горячей пластической деформации раскаткой в температурном интервале 950-1150°C, охлаждение на воздухе. Материал заготовок: коррозионно-стойкая мартенситностареющая сталь мартенситного класса, содержащая 0,03% углерода, 10,5% хрома, 8,0% никеля, 4,5% кобальта, 1,8% молибдена, 0,3% ванадия, остальное железо и примеси. Критические точки полиморфных превращений указанной стали: АС1=560°C, АС3=740°C.

Раскатные кольца термообрабатывали по режиму: нагрев и изотермическая выдержка в температурном интервале 580÷620°C, время выдержки 3 часа, охлаждение на воздухе, нагрев до температуры аустенизации 740÷770°C, время выдержки 0,5 часа, закалка от температуры 740÷770°C, охлаждение на воздухе, обработка холодом при -70°C, время выдержки 2 часа, старение при 500°C, время выдержки 3 часа. Затем образцы-свидетели раскатных колец подвергали гальванической обработке, имитирующей нанесение герметизирующего медно-серебряного покрытия на уплотнительные элементы. При такой обработке происходит насыщение металла диффузионно-подвижным водородом до 5 см3/100 г.

Механические свойства и фазовый состав мартенситностареющей стали, обработанной по предложенному способу, показаны в таблице 1.

Таблица 1
№ п.п. Т-ра, испытания, К Механические свойства Количество аустенита, %
σВ, МПа σ0,2, МПа δ, % ψ, % KCV, МДж/м2 до испытаний после испытаний
1 293 1140 1120 17 77 1,4 20 18
2 77 1640 1560 23 55 0,9 20 15

После термообработки по предложенному способу мартенситностареющая сталь имеет высокий комплекс механических свойств при нормальной и криогенной температурах испытания. В наводороженном состоянии сталь сохраняет высокое сопротивление водородной хрупкости, оцениваемое по результатам испытания разрывных образцов со скоростью растяжения V=5 мм/мин (относительное сужение (составляет 55% при температуре испытания 77К, при этом нормативные значения ψ≥35%). По результатам контроля фазового состава обеспечивается высокая структурная стабильность аустенитной фазы (количество аустенита в разрывных образцах до и после испытаний практически не изменяется). Стендовые испытания упругих уплотнений из мартенситностареющей стали, обработанной по предложенному способу, показали высокую работоспособность и герметичность разъемных соединений.

Предложенный способ найдет применение в ракетно-космической и уплотнительной технике, в частности, при изготовлении упругих металлических уплотнений для разъемных соединений агрегатов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с криогенными компонентами топлива.

1. Способ термической обработки коррозионно-стойкой мартенситностареющей стали, включающий высокотемпературную аустенизацию, совмещенную с горячей пластической деформацией, нагрев и изотермическую выдержку в межкритическом интервале обратного α→y превращения, низкотемпературную аустенизацию, закалку и старение, отличающийся тем, что изотермическую выдержку проводят в температурном интервале на 20÷60°C выше точки начала обратного превращения АС1, низкотемпературную аустенизацию проводят выше точки конца обратного превращения АС3 в температурном интервале АС3÷АС3+30°C, а после охлаждения с температуры закалки проводят обработку холодом при -70°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокотемпературную аустенизацию, совмещенную с горячей пластической деформацией, проводят при 950÷1150°C, изотермическую выдержку в межкритическом интервале проводят при 580÷620°C, а низкотемпературную аустенизацию проводят в температурном интервале 740÷770°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению закаленной мартенситной стали, используемой для изготовления различных конструкционных и приводных деталей.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к обработке лент из аморфно-нанокристаллических сплавов, и может быть использовано, например, при изготовлении деталей в электронике и приборостроении.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к способам обработки высокопрочных аустенитных сталей, и может быть использовано, например, для изготовления высоконагруженных деталей в машиностроении.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее, к способам обработки высокопрочных аустенитных сталей и может быть использовано, например, для изготовления высоконагруженных деталей в машиностроении.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к способам обработки аустенитных сталей, и может быть использовано, например, для изготовления высоконагруженных деталей в машиностроении.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к способам обработки коррозионно-стойких аустенитных сталей, и может быть использовано, например, для изготовления тяжелонагруженных деталей в машиностроении.
Изобретение относится к области аморфных магнитных материалов и способам их обработки и может быть использовано в качестве материала в электронике и приборостроении.

Изобретение относится к области термической обработки деталей машиностроения и может быть использовано для повышения износостойкости деталей машин, штампованного и металлорежущего инструмента.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к способам обработки коррозионно-стойких аустенитных сталей, и может быть использовано, например, для изготовления тяжелонагруженных деталей в машиностроении.

Изобретение относится к области термической обработки деталей машин и механизмов. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса, применяемых для изготовления элементов тепловых энергетических установок с рабочей температурой пара до 650°C.
Изобретение относится к термической обработке стали, применяемой для изготовления сложнонагруженных деталей в судовом машиностроении, воспринимающих значительные разнонаправленные динамические нагрузки, например, крепежа, поковок.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для реализации процессов термической обработки деталей, к поверхности которых предъявляются особые требования.

Изобретение относится к области термической обработки деталей и предназначено для использования в судовом машиностроении для изготовления штамповок кривошипных валов.

Изобретение относится к области металлургии и термической обработки сплавов и может быть использовано в точном приборостроении и машиностроении. .

Изобретение относится к области термической обработки деталей и предназначено для использования в судовом и энергетическом машиностроении при изготовлении силовых крепежных элементов систем и узлов высокого давления.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных отраслях промышленности при термической обработке деталей из мартенситностареющих сталей, например, 08Х15Н5Д2Т, 06Х14Н6Д2МБТ, 10Х14Н4АМЗ и 07Х16Н6.

Изобретение относится к технологии обработки низко- и среднеуглеродистой легированной стали. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке мартенситных дисперсионно-твердеющих сталей. .

Изобретение относится к области термической обработки конструкций, выполненных из дисперсионно-твердеющих сплавов и работающих в условиях как высоких, так и низких температур, вибраций и агрессивных сред, в частности обработки паяно-сварных конструкций, содержащих детали из мартенситно-стареющей стали типа Н18К8М5Т.
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к технологии термической обработки полуфабрикатов из стали мартенситного класса, предназначенных для изготовления деталей и узлов, работающих в условиях Крайнего Севера и Сибири, например контейнеров для перевозки отработавшего ядерного топлива. Техническим результатом изобретения является повышение хладостойкости сталей мартенситного класса. Для достижения технического результата полуфабрикат из хромоникельмолибденованадиевой мартенситной стали подвергают нагреву под закалку до температуры Ас3 +(30÷50)°C и последующему отпуску при 600÷700°C с охлаждением на воздухе, затем проводят старение при 450±10°C с выдержкой 5,0÷10,0 ч для полного прогрева заготовки и охлаждают на воздухе, при этом при температуре нагрева под закалку осуществляют выдержку в течение времени, определяемого из расчета 2,5÷3,0 мин/мм сечения, и охлаждают в масло, а при отпуске время выдержки определяют из расчета 5,0÷6,0 мин/мм сечения с последующим охлаждением на воздухе. Полуфабрикаты, прошедшие разработанный режим термической обработки, обладают высокой хладостойкостью. 2 табл., 1 пр.
Наверх