Способ термомеханической обработки экономнолегированных сталей


 

C21D1/78 - 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 2548339:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к области термомеханической обработки и может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения. Для повышения комплекса механических свойств конструкционных сталей с устранением склонности их к обратной отпускной хрупкости и достижения высоких механических и эксплуатационных свойств заготовку из стали 35ХГСФ подвергают холодной пластической деформации со степенями обжатия 10-30%, затем её нагревают до субкритических температур Ac1 - (5÷5)°C со скоростью 5÷20 град/мин и выдержкой при этих температурах 1,5÷3 часа. Далее с субкритической температуры производят нагрев заготовки под закалку до температуры Ac3+(30÷40)°C, закаливают в масло и подвергают отпуску при 500÷550°C. 1 табл.

 

Изобретение относится к термомеханической обработке стали, может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения.

В настоящее время основная проблема металлургических и машиностроительных предприятий состоит в повышении показателей надежности конечных изделий. Эта проблема решается как путем создания новых сплавов, так и путем совершенствования существующих режимов термической и термомеханической обработки. При этом задачи повышения целого ряда механических свойств сталей связаны с вопросами уменьшения себестоимости готовой продукции, уменьшения энергоемкости производства.

Мелкодисперсная структура в сталях в настоящий момент достигается путем использования дорогостоящего оборудования и сложных методик, что приводит к большим технологическим трудностям (электронагрев, интенсивная пластическая деформация). В рамках данного проекта будет предложен новый способ формирования мелкозернистой структуры с использованием имеющегося на предприятии прокатного и термического оборудования, что является технологически более простым методом.

Известны два основных способа повышения прочностных свойств сталей:

1. Легирование сталей различными химическими элементами, которые приводят к дисперсионному упрочнению стали в ходе стандартной термической обработки (закалка + отпуск). Но такой способ повышения прочностных свойств сталей является высокозатратным из-за введения дорогостоящих элементов.

2. Интенсивная пластическая деформация до больших истинных степеней деформации в сочетании с последующей или промежуточной термической обработкой.

Известен способ обработки аустенитных сталей, включающий закалку от 1323 К на воздухе, отпуск при температуре 1020 К, пластическую деформацию способом прокатки или одноосного растяжения при температуре жидкого азота 77 К до степени обжатия 10%, нагрев в электропечи до температуры 730-770 К, при которой максимально активно проходит процесс обратного α→γ превращения, с нагружением до (0,5-0,9)σ0,2 и выдержкой при данной температуре в нагруженном состоянии в течение часа (RU №2287592, опубл. 20.11.2006).

Недостатком данного способа обработки аустенитных сталей является неоднородность получаемой структуры из-за отсутствия предварительной обработки (создания в аустенитной стали более однородной структуры), что сказывается на получении низких прочностных свойств стали, а т.к. пластическая деформация проводится при криогенной температуре, требуется дополнительное специальное охлаждающее оборудование для заготовки и инструмента.

Известен способ упрочнения изделий из углеродистых, легированных, высоколегированных, быстрорежущих сталей и твердых сплавов (RU 2100456 C1, опублик. 27.12.1997). В соответствии с данным способом, в частности, стальные образцы нагревались в печи до стандартной закалочной температуры, после чего осуществлялась закалка в газоструйном генераторе звука, создающем акустическое поле звукового диапазона с уровнем звукового давления 150-170 дБ, а затем закаленные образцы подвергались отпуску. В результате подобной термической обработки в сравнении со стандартной закалкой и отпуском повышается прочность стали без снижения пластичности.

Основным недостатком известного способа является то, что повышение конструктивной прочности сталей связано с их закалкой на мартенсит с последующим отпуском, которая связана со значительными закалочными напряжениями, поводкой, закалочными трещинами, отпускной хрупкостью, а также является более сложной и дорогостоящей в сравнении с нормализацией термической обработкой. Также к недостаткам способа можно отнести и необходимость использования звукового давления для получения необходимого комплекса характеристик стали.

Также известен способ закалки изделий из конструкционных сталей (SU 834157 A, C21D 1/78, опублик. 06.06.1981), включающий нагрев изделия до температуры аустенизации, охлаждение до температуры перлитного превращения (ферритоцементитная смесь), т.е. выше температуры начала мартенситного превращения и последующее охлаждение на спокойном воздухе.

Основным недостатком данного известного способа термической обработки являются низкие значения показателей пластичности и ударной вязкости в сравнении с соответствующими значениями после нормализации, в особенности для легированных сталей.

Известен способ термомеханической обработки, который включает нагрев со скоростью выше 50°C/с до температур от Ac1 до Ac3+200°C, деформацию прокаткой со степенью 45-80%. Ускоренное охлаждение осуществляют с получением мартенситной структуры или продуктов распада аустенита. Отпуск изделий проводят путем одно- или многократного циклического скоростного нагрева (RU 2060282, C21, опублик. 26.05.1996).

Недостатком указанного способа прототипа является то, что при прокатке листов невозможно осуществить скоростной нагрев крупногабаритных плоских заготовок со скоростью 50°C/с (нет таких индукторов). Нагрев с такой скоростью заготовок можно реализовать только при прокатке сортовой стали.

Наиболее близким решением к предложенному способу был способ Бернштейна М.Л., Термомеханическая обработка металлов и сплавов, т.2, с.1069 - М.: Металлургия, 1968, где исходным состоянием стали является отожженное состояние, структурно представляющее ферритокарбидную смесь. В таком состоянии сталь подвергается холодной пластической деформации и последующему длительному предрекристаллизационному отжигу для полигонизации при температуре несколько ниже температуры рекристаллизации, с последующим охлаждением до комнатной температуры. После этого сталь подвергается скоростному электронагреву (65 град/с) с целью осуществления передачи блочной субструктуры, образующейся в результате процесса полигонизации, при выдержке ниже рекристаллизационных температур, аустениту при нагреве под закалку.

Субструктура, образующаяся при предрекристаллизационном отжиге, весьма неустойчива, и чтобы передать ее аустениту при нагреве под закалку, необходимо применять большую скорость нагрева. Это представляет значительную технологическую сложность.

К недостаткам известного способа можно также отнести трудность избежать при выдержке частичной рекристаллизации, длительность отжига и невысокий эффект обработки в повышении механических свойств обрабатываемой стали.

Технический результат заключается в достижении сочетания получаемых высоких механических и эксплуатационных свойств обрабатываемых сталей с технологически более простыми и эффективными приемами обработки по сравнению с известным способом. Целью изобретения является повышение комплекса механических свойств конструкционных сталей с устранением склонности их к обратной отпускной хрупкости.

Технический результат достигается тем, что предварительно отожженная сталь подвергается деформации (ковкой, прокаткой, волочением и т.д.) при комнатной температуре со степенью обжатия 10-30%. Затем сталь подвергается не предрекристаллизационному отжигу, как в прототипе Бернштейна, а отжигу при субкритических температурах, т.е. температурах на 5-15°C ниже температуры α→γ превращения стали. Нагрев до субкритических температур осуществляют со скоростью 5-20 град/мин. Выдержка от 1,5 до 3 часов при этой температуре способствует образованию устойчивой субзеренной структуры металла, которая наследуется конечным изделием в ходе последующей стандартной закалки и отпуска. Нагрев под закалку проводят до температур Ac3+30-40°C, где Ac3 - температура полной фазовой перекристаллизации (критическая точка). Закалку производят в масло и осуществляют отпуск при температуре 500-550°C.

Способ осуществляется следующим образом, на заготовках из стали 35ХГСА была проведена термическая обработка, заключающаяся в холодной пластической деформации со степенями обжатия 10-30%, затем нагреты до субкритических температур Ac1 - 5-15°C со скоростью 5-20 град/мин и выдерживались при этих температурах 1,5-3 часа. Далее, с субкритических температур, производился нагрев под закалку до температуры Ac3+30-40°C и производилась закалка в масло. После отпуска при 500-550°С обеспечивается высокий комплекс механических свойств, сочетающий повышенную прочность и ударную вязкость, наблюдается значительное измельчение зерна стали, устранение эффекта отпускной хрупкости, снижение порога хладноломкости.

Результаты проведенных исследований показывают, что после термомеханической обработки, заключающейся в холодной пластической деформации с последующей выдержкой в интервале субкритических температур Ac1 - 5÷15°C формируется устойчивая полигональная структура, которая наследуется при следующей стандартной термической обработке (закалке и отпуске) конечным зерном аустенита. В результате в стали формируется ультрамелкодисперсная структура с выделениями наноразмерных структурных составляющих, не характерная для экономнолегированных сталей после стандартной термомеханической обработки. При предложенной термообработке происходит измельчение зерна, значительное повышение ударной вязкости и снижение порога хладноломкости.

В результате термомеханической обработки получено:

1) Уменьшение размера зерна в стали после экспериментальной термомеханической обработки до 2-5 мкм;

2) Повышение значений ударной вязкости на 60-70% по сравнению с аналогичными сталями после стандартной обработки;

3) Уменьшение склонности сталей к проявлению эффекта обратимой отпускной хрупкости. Это позволит расширить область применения сталей и снизить материалоемкость изделий из них;

4) Снижение температуры вязкохрупкого перехода на 50-100°C в область отрицательных температур;

5) За счет повышения механических и эксплуатационных характеристик ожидается возможность замены более дорогостоящих высоколегированных сталей экономнолегированными без потери основных показателей надежности.

Полученные высокий уровень эксплуатационных свойств экономнолегированных сталей после экспериментальной термомеханической обработки сделает возможной замену ими более дорогостоящих легированных сталей, а значит снизит себестоимость продукции, что подтверждается примером.

Пример

Для примера была выбрана сталь 35ХГСА, химический состав которой: 0,34% C; 1,15% Si; 1,1% Mn; 1,3% Cr; 0,13% Cu; 0,02% S; 0,02% P; 0,2% Ni.

Заготовки из стали подвергались термообработке по стандартному способу и по способу, описываемому в изобретении. Режимы обработки и полученные механические свойства приведены в таблице 1.

Полученные результаты позволяют говорить о повышении значений ударной вязкости во всем диапазоне испытываемых температур после реализации предлагаемой схемы термической обработки по сравнению со стандарной термической обработкой.

Применение экспериментальных режимов термической и термомеханической обработки не приводит к проявлению эффекта обратимой отпускной хрупкости, ударная вязкость не снижается во всем диапазоне исследуемых температур и даже превосходит значения ударной вязкости после стандартной термообработки.

Таким образом, термомеханическая обработка с выдержкой в интервале субкритических температур устраняет эффект обратимой отпускной хрупкости. Такой эффект вызван значительной диффузионной активностью в интервале субкритических температур и перераспределением вредных примесей в объеме металла при формировании полигональной структуры.

Способ термомеханической обработки заготовок из конструкционных сталей, включающий пластическую деформацию заготовки, её нагрев до субкритических температур Ac1-(5÷15)°C, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что проводят холодную пластическую деформацию со степенью обжатия 10÷30%, нагрев до субкритических температур ведут со скоростью 5÷20 град/мин, выдерживают при этой температуре от 1,5 до 3 часов и осуществляют нагрев от субкритической температуры до температуры закалки Ac3+(30÷40)°C, затем проводят охлаждение в масло и отпуск при температуре 500÷550°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к области термомеханической обработки низколегированных сталей, и может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения.

Изобретение относится к способам термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей типа «вал». Для повышения качества деталей осуществляют статическое силовое воздействие на вал в процессе полного цикла термообработки, который разделяют на подциклы, при этом один конец вала закрепляют жестко, а второй конец - с возможностью перемещения, в течение каждого из подциклов прикладывают силовое воздействие ко всему валу, производят нагрев вала в пределах участка, затем осуществляют закручивание в одну сторону данного участка с последующим его охлаждением, затем цикл повторяют для другого участка с его закручиванием в другую сторону за пределом действия закона упругости.

Изобретение относится к инструментальному производству, а именно изготовлению металлорежущего инструмента с применением наплавки. Способ изготовления наплавленного режущего инструмента включает механическую и термическую обработку корпуса, наплавку быстрорежущей сталью рабочего слоя, его поверхностное пластическое деформирование и высокотемпературный отпуск.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может найти применение при изготовлении закаленных тонколистовых деталей. Способ включает установку заготовки в полость штампа, электронагрев её в штампе и одновременное с нагревом растяжение изделия, последующее охлаждение в штампе, при этом растяжение осуществляют до напряжений, превышающих предел текучести материала изделия.

Изобретение относится к области металлургии конструкционных сталей и сплавов, а именно к термомеханической обработке аустенитных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей.
Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано в производстве пружин из закаливаемых марок стали. Для повышения качества пружин и снижения энергозатрат осуществляют скоростной нагрев прутка до температуры выше точки Ac3 фазовых превращений, пластическую деформацию прутка винтовым обжатием с закручиванием в направлении сжатия витка пружины, немедленную горячую навивку пружины при температуре выше Ac3 с немедленной повитковой закалкой и отпуск с обеспечением анизотропно ориентированной структуры стали.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стальному рельсу, применяемому при железнодорожной перевозке грузов. Рельс выполнен из стали, содержащей в мас.%: от более чем 0,85 до 1,20 С, от 0,05 до 2,00 Si, от 0,05 до 0,50 Mn, от 0,05 до 0,60 Cr, Р ≤ 0,0150, Fe и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств металлов и может найти применение при расчете элементов конструкций и деталей машин. Сущность: осуществляют деформационное старение образца, приложение статической нагрузки без изменения знака нагружающей силы и знака деформации до полного прохождения пластических деформаций на площадке текучести с выходом в зону упрочнения, нагрев и выдержку при заданном температурном режиме.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления внутренних оболочек теплообменников, а именно блока сопла камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя.
Изобретение относится к области металлургического и термического производства, а именно к обработке стали с получением структуры естественного феррито-мартенситного композита - структура, включающая пластичную ферритную матрицу и дискретные твердые волокна - слои мартенсита, и может быть использовано для получения материала, используемого для броневой защиты воинского персонала, БТР, БМП, блокпостов, от поражения при стрельбе из стрелкового оружия и гранатометов.

Изобретение относится к способу изготовления текстурированного листового стального изделия с минимизированными потерями на перемагничивание и оптимизированными магнитострикционными свойствами.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения резьбовых изделий с трапецеидальной резьбой, и может быть использовано для упрочнения резьбы в изделиях, работающих при повышенных нагрузках.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки режущего инструмента, например протяжек небольшого диаметра, метчиков и других мелких инструментов.

Изобретение является способом и относится к технологии модификации поверхностных слоев изделий из металлических материалов. Изобретение может быть использовано для модификации поверхности металлообрабатывающего инструмента и деталей машин в инструментальной, сельскохозяйственной, автомобильной, металлургической промышленности и др.

Изобретение относится к литейному производству. Для повышения качества защиты стальных отливок от обезуглероживания, в частности минимизации толщины обезуглероженного слоя, отливки помещают в контейнер и засыпают их карбюризатором, в качестве которого используют смесь древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в соотношении (2,3-2,5):1, а количество карбюризатора составляет 20-25% объема садки.

Изобретение относится к способу контроля охлаждения движущейся полосы (в) в охлаждающей секции линии непрерывной обработки и к охлаждающей секции непрерывной обработки полосы.
Изобретение относится к области металлообработки и может найти применение в машиностроении. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик оправок за счет значительного повышения их жёсткостных и демпфирующих параметров.

Изобретение относится к способу лазерного упрочнения плоской заготовки и может быть использовано для формирования поверхностных слоев материалов путем термообработки.

Изобретение относится к термической поверхностной обработке чугуна и стали, в частности к методам упрочнения с помощью электрической дуги. Для повышения износостойкости деталей машин и различного режущего инструмента осуществляют нагрев изделия электрической дугой переменного тока с прямоугольной формой импульсов, при этом регулируют тепловложение дуги путем изменения силы или частоты тока в положительной и отрицательной полуволнах тока с изменением их продолжительности, что позволяет в каждом конкретном случае в зависимости от изделия получить желаемую глубину закаленного слоя с нужной шириной закаленной полосы при максимальной производительности.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения сопротивления усталости способ изготовления нержавеющей мартенситной стали содержит этап электрошлаковой переплавки слитка упомянутой стали, а затем этап охлаждения упомянутого слитка.

Изобретение относится к быстродействующему способу лазерного нанесения насечек, при котором используется установка лазерного устройства для одновременного нанесения линий насечек на верхнюю и на нижнюю поверхности полосы текстурированной кремнистой электротехнической стали, подаваемой и продвигаемой вперед по производственной линии, с помощью луча лазера непрерывного действия с высокой степенью фокусировки, при этом линии насечек, нанесенные на верхнюю поверхность, и линии насечек, нанесенные на нижнюю поверхность, имеют одинаковое расстояние между соседними линиями насечек, но смещены относительно друг друга для равномерного снижения потерь в железе. Расстояние между соседними линиями насечек на одной и той же поверхности составляет 6÷12 мм, мощность лазера составляет 1000÷3000 Вт, а скорость сканирования составляет 100÷400 м/мин. Производительность такого способа нанесения насечек и такого устройства в 1,5-2 раза превышает производительность обычных способов нанесения насечек, которые не позволяют одновременное синхронное нанесение насечек на верхнюю и нижнюю поверхности стальной полосы. Линии насечки, нанесенные на стальной полосе таким способом, могут снижать потери в железе стальной полосы на 10-16%. 1 табл., 4 ил.
Наверх