Способ термомеханической обработки метастабильной аустенитной стали


 


Владельцы патента RU 2598744:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) (RU)
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано, например, для изготовления высоконагруженных деталей в машиностроении. Для получения субмикрокристаллической структуры в стали способ включает нагрев листа из стали 08Х18Н10Т до температуры 1100°С, выдержку 1 час, охлаждение в воде, обработку холодом в жидком азоте, прокатку в несколько проходов с общей логарифмической степенью деформации e=0,1-0,2 с охлаждением в жидком азоте между проходами для формирования мартенсита деформации с объемной долей 55-75%, затем теплую деформацию при 400-700°С за один, или несколько проходов со степенью логарифмической деформации е≤0,5 и отжигу, длительностью от 200 с до 1 ч в интервале температур 600-800°С с обеспечением формирования субмикрокристаллической структуры, содержащей аустенит до 95%. Полученная структура обладает высокими прочностными свойствами при сохранении достаточного запаса пластичности. 1 табл., 1 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии железа, более конкретно к изменению механических свойств метастабильной аустенитной стали путем деформации, в том числе низкотемпературной (с охлаждением в жидком азоте), теплой деформации T=673-973 K (400-700°С) и последующих отжигов 873-1073 K (600-800°С), длительностью от 200 с до 1 ч. Предложенный способ может быть использован при обработке давлением заготовок и деталей высоконагруженных конструкций из стали.

Известен способ термомеханической обработки сталей аустенитного класса (патент РФ №2525006, МПК C21D6/00, опубл. 10.08.2014). В этом способе сталь подвергают обработке, состоящей из комбинации пластической деформации в интервале температур Т=673-973 K в два этапа и отпусков при Т=673-873 К. Деформация ведется в аустенитной области, общая достигаемая степень логарифмической деформации e>2.5. Недостатком этого способа является использование относительно высоких степеней деформации при высоких температурах.

Известен способ криогенно-деформационной обработки стали, включающий закалку, пластическую деформацию при криогенных температурах в несколько стадий с суммарной степенью деформации 50-90%, низкотемпературный отпуск после каждой стадии при температуре 220-270°C и высокотемпературный отпуск на заключительной стадии обработки заготовок (патент РФ №2394922, МПК C21D 8/00, опубл. 20.07.2010). Недостатком данного способа обработки является высокая (>30%) объемная доля мартенсита в структуре стали.

Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является способ обработки сталей, заключающийся в измельчении микроструктуры посредством пластической деформации, отличающийся тем, что обработку осуществляют в температурном интервале 1000-400oС за один или несколько этапов с поэтапным регламентированным снижением температуры до получения конечного размера зерен DКР. Одним из вариантов применения этого способа обработки является использование деформации аустенитных и аустенито-ферритных нержавеющих сталей при температуре ниже МД, затем повторная деформация в интервале 600-800°С; а также новый цикл деформации при температуре ниже МД и нагрев до температуры обратного превращения 600-650oС (патент РФ №2181776, МПК C21D 8/00, опубл. 27.04.2002). Недостатком этого способа обработки является использование значительного числа операций и высокая общая суммарная степень деформации, задаваемая образцу, что накладывает ограничение на размеры обрабатываемых деталей.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа термомеханической обработки (ТМО) метастабильной аустенитной стали, позволяющего повысить ее прочностные свойства при относительно невысоких степенях деформации с сохранением высокой объемной доли аустенитной структуры.

Технический результат изобретения заключается в том, что предлагаемые режимы термомеханической обработки позволяют получить субмикрокристаллическую структуру с регламентированной высокой (до 95%) объемной долей аустенита, высокие прочностные свойства за счет реализации прямых и обратных (γ→α′→γ) мартенситных превращений, формирования структуры типа «пакетного аустенита» и дополнительного фазового наклепа. Относительно невысокие (e<1) общие степени деформации и ограниченное количество используемых технологических операций (низкотемпературная деформация, теплая деформация, отжиг) повышают экономическую эффективность данного способа по сравнению с прототипом. Комбинация теплой деформации и отжигов позволяют в широком диапазоне изменять содержание мартенсита, повышая объемную долю аустенита и пластичность материала.

Для решения поставленной задачи предложен способ термомеханической обработки метастабильной аустенитной стали, включающий пластическую деформацию методом прокатки с охлаждением заготовки при температуре кипения жидкого азота (T=77 K). Перед низкотемпературной деформацией заготовку подвергают отжигу при температуре 1373 К (1100°С) 1 ч с последующей закалкой в воду. Низкотемпературную прокатку проводят за несколько проходов до истинной логарифмической степени деформации e=0.1-0.2. Между проходами заготовка выдерживается при температуре кипения жидкого азота (T=77 K). Затем производят нагрев до температур T=673-973 K (400-700°С) и пластическую деформацию прокаткой за один или два прохода с общей степенью логарифмической деформации e≤0.5 с последующим охлаждением в воде. После теплой деформации осуществляются отжиги в интервале температур Т=673-1073 К (600-800°С) с временем выдержки от 200 с до 1 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Достигаемый технический результат подтверждается данными, приведенными в таблице 1.

Механические испытания на растяжения проводились по ГОСТ 1497-84 при комнатной температуре. Структурные исследования проводили методом просвечивающей электронной микроскопии. Содержание фаз в стали исследовалось методом рентгеноструктурного фазового анализа и измерений удельной намагниченности.

Исследования структуры и фазового состава стали показали, что низкотемпературная деформация приводит к развитию прямого γ→α′ деформационного мартенситного превращения, формированию ламельной структуры, содержащей двойникованный аустенит, пакетный α′-мартенсит и пластины ε-мартенсита. Содержание α′-мартенсита составляет ~ 55-75%. Теплая деформация при Т=400-500°С после низкотемпературной деформации не приводит к реализации обратного α′→γ превращения. Содержание мартенсита при этом достигает 60-75%, прочностные свойства значительно увеличиваются, пластичность снижается (таблица 1). Пластическая деформация при Т=400-700°С приводит к формированию ламельной структуры с повышенной плотностью дислокаций, множественными дефектами упаковки и нанодвойниками деформации. При Т=600-700°С в процессе деформации реализуется обратное α′→γ превращение. Деформация при Т=700°С приводит к увеличению средних размеров аустенитных фрагментов и развитию динамической рекристаллизации. Деформация при Т≥600°С в комбинации с последующими отжигами позволяет значительно увеличить объемную долю аустенита до 95%. При этом достигаются высокие прочностные и пластические свойства (таблица 1).

Таблица 1. Содержание фаз, предел текучести σ0.1, предел прочности и относительное удлинение δ при испытании на растяжение при Т=20°С.

Состояние стали α′, % γ, % σ0.1, МПа σB, МПа δ, %
Исходное 0 100 205 520 40
ТМО-1 60 40 1260-1350 1390-1420 3-4
ТМО-2 17 83 950-980 1115-1130 12-15
ТМО-3 5 95 795-870 960-1020 14-24
Прототип, ИПД+отжиг 600°С - - 1580 1650 12
Прототип, ИПД+отжиг 800°С - - 880 1050 17
Примечание:
ТМО-1: прокатка с охлаждением в жидком азоте, ε≈17%; прокатка при Т=500°С, ε≈40%.
ТМО-2: прокатка с охлаждением в жидком азоте, ε≈17%; прокатка при Т=600°С, ε≈40%; отпуск при Т=600°С, 1 ч.
ТМО-3: прокатка с охлаждением в жидком азоте, ε≈17%; прокатка при Т=600°С, ε≈40%; отпуск при Т=800°С, 200 с.

Электронно-микроскопические исследования показали, что микроструктура стали после ТМО представлена преимущественно аустенитными ламелями - «пакетный аустенит» (рисунок 1) по форме и размерам, напоминающими пакетный мартенсит. Между аустенитными ламелями наблюдаются как малоугловые, так и высокоугловые, в том числе двойниковые, разориентировки, что характерно для разориентировок в мартенситном пакете и между пакетами. На рисунке 1в и 1 г представлены темнопольные изображения в рефлексах, принадлежащих двум осям зон [110] и [130]. Между представленными фрагментами наблюдаются высокоугловые разориентировки, размеры фрагментов субмикрокристаллического масштаба.

Высокотемпературные отжиги различной длительности после теплой деформации позволяет в широком диапазоне изменять объемную долю фаз, повышая объемную долю аустенита до 95%. При этом прочностные свойства стали уменьшаются, пластичность существенно увеличивается (таблица 1). Предложенные варианты ТМО позволяют в 4-5 раз повысить предел текучести стали по сравнению с исходным значением. Достигаемые при этом свойства сравнимы с прототипом - сталь близкого состава 12Х18Н10Т после интенсивной пластической деформации и отжигов. В прототипе используется высокотемпературная деформация аустенитной стали при Т>900°C с общей степенью деформации 60-120%, деформация ниже температуры Мд с общей степенью 30-50%, дополнительные отжиги и (или) пластическая деформация при Т=600-800°C. При этом количество операций обработки более трех. В отличие от прототипа для обработки метастабильной аустенитной стали не используется высокотемпературная деформация, общая суммарная деформация, задаваемая образцу менее 60% (истинная логарифмическая деформация e<1). Количество операций обработки ограничено тремя. Принципиальным отличием является использование «теплой» деформации в интервале Т=400-700°C после низкотемпературной деформации с целью дополнительного наклепа и формирования субмикрокристаллического аустенита в процессе обратного мартенситного превращения. Регламентированное содержание аустенита достигается комбинацией теплой деформации и последующих отпусков. Повышение прочности и высокие значения пластичности достигаются за счет формирования субмикрокристаллической преимущественно аустенитной структуры.

Примеры конкретного осуществления изобретения приведены ниже:

Пример 1

Лист толщиной 12 мм стали 08Х18Н10Т промышленного производства был закален на аустенит 1100°С, 1 ч вода. Образцы размерами 30×20×12 мм охлаждались в жидком азоте до прекращения «кипения», после чего помещались на прокатный стан. Конечная толщина составляла ≈10 мм, ε≈17% достигалась за 2 прохода, между проходами образцы охлаждались в жидком азоте. После низкотемпературной деформации образцы отогревались до комнатной температуры и помещались в печь при температуре Т=600°С. По достижении указанной температуры образцы прокатывались за один проход до толщины ≈6 мм, ε≈40%. По выходу из стана образцы охлаждались в воде. Отпуск проводился в среде инертного газа при температуре Т=600°С в течение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе. Содержание фаз и достигнутые прочностные свойства представлены в таблице - ТМО-2.

Пример 2

Лист толщиной 12 мм стали 08Х18Н10Т промышленного производства был закален на аустенит 1100°С, 1 ч вода. Образцы размерами 30×20×12 мм охлаждались в жидком азоте до прекращения «кипения», после чего помещались на прокатный стан. Конечная толщина составляла ≈10 мм, ε≈17% достигалась за 3 прохода, между проходами образцы охлаждались в жидком азоте. После низкотемпературной деформации образцы отогревались до комнатной температуры и помещались в печь при температуре Т=600°С. По достижении указанной температуры образцы прокатывались за один проход до толщины ≈6 мм, ε≈40%. По выходу из стана образцы охлаждались в воде. Отпуск проводился в среде инертного газа при температуре Т=800°С в течение 200 с с последующим охлаждением на воздухе. Достигнутые прочностные свойства представлены в таблице - ТМО-3. Структурное состояние стали представлено на рисунке 1, при этом содержание аустенита 95%. Полученная структура имеет субмикрокристаллические размеры.

К преимуществам изобретения следует отнести меньшую суммарную степень деформации, задаваемую образцу, меньшее количество операций, меньшие температуры деформации (неиспользование высокотемпературной деформации), по сравнению с прототипом, что значительно упрощает технологический процесс и снижает энергозатраты и, как следствие, стоимость проведения обработки. Кроме того, предложенные режимы позволяют формировать в стали регламентированное содержание аустенита (до 95%) с высокими прочностными характеристиками при сохранении достаточного запаса пластичности. Также предложенный метод позволяет в широких пределах варьировать содержание фаз, прочностные и пластические характеристики стали. Эти результаты свидетельствуют о высокой эффективности предложенного способа повышения прочности метастабильной аустенитной стали.

Способ обработки метастабильной аустенитной стали, включающий закалку на аустенит, низкотемпературную деформацию, теплую деформацию и заключительный отжиг, отличающийся тем, что после закалки проводят деформацию прокаткой с охлаждением в жидком азоте при -196°С со степенью логарифмической деформации e=0,1-0,2 в несколько проходов с охлаждением между проходами до указанной температуры, последующую теплую деформацию прокаткой проводят в интервале температур 400-700°С со степенью логарифмической деформации e≤0,5 в один или два прохода с последующим охлаждением в воде, а заключительный отжиг проводят при 600-800°С длительностью от 200 с до 1 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу жаропрочной хромистой стали мартенситного класса, применяемой для изготовления элементов, в том числе котлов, труб паропроводов электростанций.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке высокопрочных изделий, работающих при воздействии значительных динамических и циклических нагрузок.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к регулированию химического состава стали для получения непрерывнолитой заготовки с ограничением относительного сужения.
Изобретение относится к области металлургии и может быть применено при обработке металлов давлением. Для снижения сопротивления металла деформированию и усиления релаксационных процессов на движущуюся проволочную или полосовую заготовку в области зоны деформации одновременно воздействуют СВЧ-излучением и импульсным током в продольном направлении вдоль заготовки, вызывающего электропластический эффект в металле при амплитудной плотности тока Jm примерно 103 А/мм2, длительности импульсов τ примерно 10-4 сек и частоте следования импульсов в несколько сот Гц в зависимости от скорости движения заготовки.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению высокопрочных углеродсодержащих инварных сплавов. Способ обработки углеродсодержащего инварного сплава включает закалку и деформационно-термическую упрочняющую обработку.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению соединительного элемента, используемого в подъемных, крепежных, зажимных и/или связывающих средствах, выполненному из закаливаемой стали.

Изобретение относится к области термомеханической обработки. Для повышения качества обработки детали её разбивают на «n» участков длиной, равной не более восьми диаметров детали, между участками протачивают поперечные радиальные канавки на глубину, равную половине припуска на максимальный диаметр детали, подвешивают деталь вертикально на гибком элементе и фиксируют четный участок, начиная с нижнего конца с помощью захватов, которые размещают внутри проточенных поперечных канавок, осуществляют нагрев указанного участка от источника постоянного тока до температуры отпуска и деформацию растяжением с превышением предела упругости на 2-4% с помощью силовых цилиндров, затем отключают нагрев, выдерживают деталь, разгружают с постоянной нагрузкой до температуры окружающей среды, затем фиксируют следующий четный участок, пропуская нечетные участки, далее аналогично проводят фиксацию, нагрев и деформацию растяжением всех четных участков с одновременным сжатием нечетных участков детали до её верхнего конца.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке аустенитной нержавеющей стали для химической промышленности. Сталь содержит, в мас.%: C: не более 0,050, Si: 0,01-1,00, Mn: 1,75-2,50, P: не более 0,050, S: не более 0,0100, Ni: 20,00-24,00, Cr: 23,00-27,00, Mo: 1,80-3,20, N: 0,110-0,180, остальное Fe и примеси.

Изобретение относится к области обработки черных металлов, в частности к повышению механических свойств конструкционных сталей. Для повышения значений показателей ударной вязкости и пластичности без снижения показателей прочности изделие подвергают закалке и высокому отпуску, а затем осуществляют последующую обработку изделия путем воздействия на него в течение 35 мин пульсирующим газовым потоком со скоростью от 25 до 30 м/с, частотой колебаний от 600 до 1000 Гц и переменным звуковым давлением от 80 до 90 дБ.

Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к упрочнению поверхностного слоя стальных деталей. Осуществляют низкотемпературное азотирование детали, а затем проводят ее поверхностное пластическое деформирование.

Изобретение относится к стальным листам для горячей штамповки, которые могут быть использованы для производства деталей, в частности деталей шасси транспортных средств, деталей подвески и конструктивных элементов кузова, а также к способам производства деталей из стальных листов горячей штамповкой.

Изобретение относится к области термомеханической обработки. Для повышения качества обработки детали её разбивают на «n» участков длиной, равной не более восьми диаметров детали, между участками протачивают поперечные радиальные канавки на глубину, равную половине припуска на максимальный диаметр детали, подвешивают деталь вертикально на гибком элементе и фиксируют четный участок, начиная с нижнего конца с помощью захватов, которые размещают внутри проточенных поперечных канавок, осуществляют нагрев указанного участка от источника постоянного тока до температуры отпуска и деформацию растяжением с превышением предела упругости на 2-4% с помощью силовых цилиндров, затем отключают нагрев, выдерживают деталь, разгружают с постоянной нагрузкой до температуры окружающей среды, затем фиксируют следующий четный участок, пропуская нечетные участки, далее аналогично проводят фиксацию, нагрев и деформацию растяжением всех четных участков с одновременным сжатием нечетных участков детали до её верхнего конца.

Изобретение относится к способам для уменьшения нарушений плоскостности изделий из сплава. Способ правки изделий из сплавов, выбранных из листов и пластин, включает нагрев изделия из сплава до первого значения температуры, по меньшей мере, равного температуре начала мартенситного превращения данного сплава, приложение механического усилия к указанному изделию из сплава при первом значении температуры для устранения указанным механическим усилием нарушения плоскостности на поверхности данного изделия, воздушное охлаждение указанного изделия из сплава до второго значения температуры, не превышающего значение температуры окончания мартенситного превращения данного сплава.

Изобретение относится к термосиловой обработке маложестких осесимметричных заготовок типа «вал». Для повышения качества заготовок осуществляют силовое воздействие на заготовку за пределом действия закона упругости в пределах выбранного участка заготовки, управление пределом текучести при силовом воздействии производят путем регулирования температурного воздействия на участок заготовки, деформирование заготовки производят изгибом, заготовку перегибают знакопеременно, одновременно с деформированием изгибом ведут вращение заготовки с одновременной ее осевой подачей, причем изгибающий момент не должен быть приложен на расстоянии более пяти диаметров заготовки от места перегиба с фиксацией проработанного участка заготовки в поперечном направлении.

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 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 обработки давлением и может быть использовано для повышения физико-механических свойств металлов и сплавов. Производят нагружение нагретой заготовки с получением интенсивной пластической деформации при температурно-скоростных режимах, обеспечивающих развитие динамической рекристаллизации, измельчение вторичных фаз и создание мелкозернистой структуры.
Изобретение относится к обработке давлением и может быть использовано при изготовлении изделий типа «крышка» или «дно», например комплектующих маршевого и стартового двигателей малогабаритных снарядов.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении резьбы на деталях, работающих при знакопеременных нагрузках и в условиях абразивной среды.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к упрочняющей обработке наплавленной быстрорежущей стали на поверхности заготовки, применяемой для изготовления инструмента повышенной стойкости.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для упрочнения твердосплавного инструмента и, в частности, буровых коронок, армированных алмазно-твердосплавными пластинами (АТП), путем комплексной обработки в жидком азоте и последующим воздействием постоянным магнитным полем.
Наверх