Способ закалки металлических изделий при термомеханической обработке

Авторы патента:

Балобанов Никита Алексеевич (RU)

Дементьев Вячеслав Борисович (RU)

Чекмышев Константин Эдуардович (RU)

Макаров Сергей Сергеевич (RU)

C21D8/00 - Изменение физических свойств путем деформации в сочетании или с последующей термообработкой (закалка кованых или прокатанных изделий без дополнительного нагрева C21D 1/02)

C21D1/667 - 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 2702524:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для закалки изделий, выполненных из углеродистых и легированных сталей. Для повышения эффективности охлаждения и расширения диапазона закаливания металлических изделий охлаждающую среду подают на заданном расстоянии от выхода закаливаемого изделия из деформирующих роликов под углом к поверхности с заданным расходом среды. Основное количество тепла отбирается на выходе изделия за счет предварительного нагрева и парообразования жидкости (воды), при этом используется водовоздушная среда с содержанием воздуха 10-20 %, которая подается на расстоянии 0,15-0,3 м от выхода закаляемого изделия из деформирующих роликов под углом к поверхности 10-15 градусов с расходом 250-330 см³/с среды и при начальной температуре (85-90)°С. Подача воды с регулированной воздушной фазой позволит создать условия охлаждения нужной интенсивности и скорости охлаждения, что значительно уменьшит расход охлаждающей среды и повысит полноту использования ее теплофизических свойств в процессе закалки. 1 ил.

Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для закалки изделий, выполненных из углеродистых и легированных сталей.

Известен способ охлаждения проката (SU 619524 A1, C21/D1/60, опубл. 15.08.1978), в котором повышение эффективности охлаждения и экономичности процесса при термической обработке проката достигается путем подачи на охлаждаемую поверхность водовоздушной смеси с дальнейшим ее испарением. Охлаждение происходит с помощью последовательно расположенных секций, на каждой из которых производится охлаждение проката из спрейерных устройств. Воду, отработанную в предыдущей секции, подают на поверхность охлаждаемого проката в последующей секции, а по достижении водой температуры 85-90°С из нее создают водовоздушную смесь и дальнейшее охлаждение в требуемом диапазоне температур осуществляют путем подачи этой смеси на поверхность проката. Основное количество тепла отбирается в испарительной секции с использованием нагретой до температуры кипения водовоздушной смеси. Использование данного способа обеспечивает интенсификацию процесса охлаждения путем повышения коэффициента теплоотдачи и значительное уменьшение расхода воды за счет полного использования, по мнению авторов, ее теплофизических свойств.

Недостаток способа заключается в отсутствии возможности достичь оптимальных режимов охлаждения, которые можно организовать путем изначальной подачи водовоздушной смеси на поверхность проката в первой секции. Кроме того, отсутствует возможность регулирования скорости охлаждения.

В Уральском Государственной Техническом Университете (УГТУ-УПИ г. Екатеринбург, с 2010 года Уральский Федеральный Университет), разработан способ охлаждения (закалки) металлических изделий в водовоздушных смесях (среда водяного тумана) как альтернативный закалке в масло. Водовоздушная смесь, содержащая капли воды заданной дисперсности, создается специальными устройствами и равномерно распределяется по поверхности охлаждаемого тела. Регулирование скорости охлаждения обеспечивается за счет изменения плотности орошения поверхности водовоздушной смесью с неизменными теплофизическими свойствами.

Недостатком способа является ограниченное регулирование интенсивности отвода теплоты, которое, главным образом, достигается за счет варьирования плотности орошения, независимо от структуры потока охлаждающей среды и ее теплофизических свойств.

Наиболее близким способом к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан способ управляемого охлаждения при термообработке изделий из различных материалов, металлов и их сплавов водовоздушной смесью и устройство для его осуществления (Евроазиатский патент №006413, C21D 11/00, 1/667, 29.12.2005). Способ включает регулирование для каждой зоны охлаждения, рассчитанного с помощью ЭВМ, до температуры, определяющей окончание фазовых преобразований. Использование способа позволяет производить закалку водовоздушной смесью, при которой охлаждение всей партии одинаковых изделий проводят в импульсном режиме по одному, заранее рассчитанному, режиму и заданной величине отклонения температуры (глубина термоцикла) при микро- и термоциклировании процесса охлаждения. Регулирование закалочного охлаждения водовоздушной смесью осуществляется путем импульсно - периодической подачи двухфазной среды при помощи программного управления работой каждой форсунки в режимах «открыт-закрыт».

Недостатком данного способа является необходимость для достижения требуемых режимов теплосъема экспериментального подбора длительности импульса (времени воздействия водовоздушного потока на объект) в процессе охлаждения при постоянных теплофизических параметрах охлаждающей среды. Природа регулирования носит технологический характер, и обеспечивается автоматизированной системой подачи с заданной периодичностью закалочной водовоздушной среды, причем рассматриваемая среда представляет собой смесь капель воды с водяными парами и воздухом. Такой подход к созданию охлаждаемых сред является традиционным и применяется повсеместно для технологических операций охлаждения.

Задачей предложенного способа является расширение диапазона закаливания в охлаждающей жидкости изделий из различных металлов за счет управления в расширенном диапазоне интенсивностью отвода тепла.

Решение поставленной задачи достигается тем, что охлаждающую среду подают на поверхность на заданном расстоянии от выхода закаливаемого изделия из деформирующих роликов под углом к поверхности с заданным расходом среды. Основное количество тепла отбирается на выходе изделия за счет предварительно нагрева и парообразования жидкости (воды).

Регулирование теплофизических свойств (теплоемкость, теплопроводность) достигается за счет требуемой концентрации парогазовой фазы, при этом интенсивность отвода тепла от нагретых поверхностей металлических изделий может изменяться от максимальных скоростей, в несколько раз превышающих охлаждение в воде, до минимальных скоростей, обеспечиваемых использованием в качестве закалочных сред масла и воздуха.

Предлагаемый способ поясняется чертежами: фиг. 1. Схема процесса закалки металлических изделий при термомеханической обработке.

Способ осуществляют следующим образом: -заготовка 1 при перемещение через деформирующие ролики 2 попадает в спрейерную установку 3, в которой водовоздушная среда 4 предварительно нагретая до (85-90)°С подается на поверхность 5 на расстоянии (0.15-0.3) м от выхода закаливаемого изделия из деформирующих роликов под углом к поверхности (10-15) градусов с расходом (250-330) см³/с, что способствует формированию эффективной зоны охлаждения при закалке. Основное количество тепла отбирается за счет предварительного нагрева и парообразования водовоздушной среды.

Пример осуществления способа.

Закалялись образцы из стали 60С2, при этом охлаждающая водовоздушная среда создавалась в кавитирующем устройстве типа трубки Вентури. Вода подается на вход кавитирующего устройства под давлением 0,21 МПа., с массовым расходом 0,25 кг/с. При прохождении сужающегося участка трубки в потоке воды возникают кавитационные парогазовые пузырьки. Для реализованного случая приведенная плотность водовоздушной среды составила 0,18 г/см³. При этом теплоемкость среды 1,56 кДж/(кг⋅град), коэффициент теплопроводности 0,138 Вт/(м⋅град). Скорость охлаждения, характеризующая интенсивность отвода тепла, изменялась в диапазоне (100-120) град/с.

Для достижения скоростей охлаждения (150-200) град/с стали 30ХН2МФ применялось давление воды 0,3 МПа, массовым расходом 0,5 кг/с. Приведенная плотность среды составила 0,57 г/см³, теплоемкость среды 2,87 кДж/(кг⋅град), коэффициент теплопроводности 0,39 Вт/(м⋅град).

В результате закалки получена твердость от 35 HRC до 50 HRC в зависимости от расхода воды и температуры нагрева стали под закалку. Кроме того, структура полученных образцов имела различные формы - от бесструктурного мартенсита до пластинчатого перлита без дополнительного отпуска. Проведенные исследования показали возможность применения двухфазной водовоздушной среды для закалки высокоуглеродистых и легированных сталей марок типа 60С2, Ст40, Ст50, 40ХНМА, 65Г, 65С2 ВА без проведения дополнительного отпуска. При этом теплофизические свойства закалочной (охлаждающей) среды изменялись для каждой конкретной стали с учетом обеспечения заданного теплосъема охлаждающей средой (соотношением количество воздуха - количество воды) при температуре Т=85-90°С.

Применение способа позволит:

1. Сократить этапы технологических операций в комплексном процессе изготовления изделий и снизить расходы материала и времени на производство.

2. Повысить уровень безопасности проведения работ за счет отказа от применения агрессивных сред, таких, как масло, эмульсии, керосин, обеспечивая при этом нормы пожарной безопасности.

3. Улучшить экологические параметры производства, минимизировав вредные выбросы в окружающую среду.

Способ закалки металлических изделий при термомеханической обработке, включающий нагрев изделия, деформацию и охлаждение, отличающийся тем, что для охлаждения используют предварительно нагретую до 85-90°С водовоздушную среду с содержанием воздуха 10-20%, подаваемую на расстоянии 0,15-0,3 м от выхода закаливаемого изделия из деформирующих роликов под углом к поверхности 10-15 градусов и с расходом 250-330 см³/с.

Изобретение относится к изготовлению детали путем деформирования стальной пластины при температуре окружающей среды. Осуществляют вырезку пластины по размеру из стального полотна или листа при температуре окружающей среды.

Способ частичного радиационного нагрева для изготовления деталей посредством горячей штамповки и устройство для такого изготовления // 2697535

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения заданных структурных свойств малых по размеру локальных областей детали и управления ими способ (100) содержит шаги, на которых помещают (102) заготовку в печь (10) для нагревания (104) заготовки до температуры, равной или превышающей температуру аустенизации материала заготовки для перевода материала заготовки в аустенитную фазу, в установке инфракрасного (ИК) нагрева частично нагревают (106) посредством ИК излучения (24) по меньшей мере одну первую область (2а) заготовки, тем самым поддерживая материал указанной по меньшей мере одной первой области заготовки в аустенитной фазе, и помещают (108) заготовку в обрабатывающий блок (30) для формовки и закалки заготовки с целью получения горячештампованной детали.

Высокопрочная сталь с содержанием марганца и использование указанной стали для гибко-катаных листовых продуктов, способ производства и сопутствующий стальной листовой продукт // 2697052

Изобретение относится к гибко-катаным плоским стальным продуктам из высокопрочной содержащей марганец стали. Предложен гибко-катаный плоский стальной продукт, полученный из высокопрочной содержащей марганец стали, со следующим химическим составом, мас.%: С 0,005-0,6; Mn 4-10; Al 0,005-4; Si 0,005-2; В 0,0001-0,05; Р 0,001-0,2; S до 0,05; N 0,001-0,3; при этом остаток - это железо и неизбежные сопутствующие стали элементы, с легированием в качестве опции посредством Cr при его содержании 0,1-4.

Способ обработки жаропрочной мартенситной стали // 2696302

Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологии обработки жаропрочных мартенситных сплавов, применяемых в энергетической промышленности в качестве конструкционных материалов для производства котлов, роторов и другого оборудования тепловых электростанций нового поколения, работающих при температуре до 650°C.

Способ штамповки изделий из высокопрочного чугуна // 2695399

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при штамповке изделий из высокопрочного чугуна. Заготовку нагревают до температуры Т1 и деформируют в штампе.

Способ получения объемных заготовок высокомарганцевой стали с рекристаллизованной мелкозернистой структурой // 2692539

Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологии получения заготовок из высокомарганцевых сталей аустенитного класса с мелкозернистой структурой, используемых при изготовлении силовых элементов кузова автомобиля.

Способ получения листов высокопрочных аустенитных марганцовистых сталей // 2692151

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения прочности и пластичности с сохранением допустимых значений показателя пластичности аустенитную сталь с содержанием марганца более 15 мас.%, алюминия не менее 1,5 мас.% и обладающей TWIP-эффектом подвергают предварительному гомогенизационному отжигу при температуре 1223 – 1423 K в течение 1 ч, последующей горячей ковке при температуре 1223 – 1423 K до суммарной истинной степени деформации в диапазоне 1 - 1,19, затем второму гомогенизационному отжигу при температуре 1223 – 1423 K в течение не менее двух часов, последующей горячей прокатке без промежуточного подогрева при температуре 773 – 1423 K до суммарной истинной деформации в диапазоне 1,6 – 1,99, отжигу в течение в течение 1 ч при 1223-1423 K.

Способы обработки сплавов // 2690246

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу обработки заготовки из аустенитного сплава, обеспечивающей подавление выделения сигма-фазы. Способ включает по меньшей мере один этап обработки, выбираемый из группы, состоящей из термомеханической обработки заготовки и охлаждения заготовки.

Способ производства поковок из штамповых сталей типа 5хнм // 2690084

Изобретение относится к производству поковок из штамповой стали типа 5ХНМ, предназначенных для изготовления штампов для горячей штамповки. В процессе выплавки стали в нее вводят кальций в количестве от 0,0005 до 0,003%.

Способ изготовления высокопрочного стального листа, обладающего улучшенными прочностью, формуемостью, и полученный лист // 2689573

Изобретение относится к металлургии. Стальной лист следующего химического состава, мас.

Способ изготовления горячеплакированных изделий из тонкой стальной полосы непосредственно из расплавленной стали без травления // 2701242

Изобретение относится к области металлургии. В способе, включающем выплавку и рафинирование для получения рафинированной расплавленной стали, непрерывное литье тонкой стальной полосы, низкий отжиг, нанесение покрытия горячим способом, согласно изобретению, на стадии непрерывного литья тонкой стальной полосы рафинированную расплавленную сталь заливают в двухвалковую литейную установку, при этом под охлаждающим действием валков литейной установки сталь остывает и затвердевает в виде заготовки стальной полосы, причем процесс литья заготовки осуществляют в среде смеси инертного и восстановительного газа, при этом на поверхности заготовки стальной полосы образуется пленка из окислов железа; на стадии низкого отжига отлитую заготовку направляют в печь низкого отжига, в которую также вводят смешанный газ, при этом происходит восстановление пленки окислов железа в железистый металл; на стадии нанесения покрытия горячим способом литую стальную полосу после охлаждения в защитной атмосфере направляют в ванну плакирования для нанесения покрытия цинком или другими сплавами, после чего стальную полосу охлаждают и наматывают.

Способ упрочнения мало- и среднеуглеродистых сталей // 2701239

Изобретение относится к области металлургии и касается способа повышения прочности сталей, в частности способа упрочнения мало- и среднеуглеродистых сталей, и может быть использовано при изготовлении деталей конструкций и машин.

Способ лазерного термоупрочнения // 2700903

Изобретение относится к способу термической обработки металлов и может быть использовано для получения износостойких структур при изготовлении рабочих органов почвообрабатывающих орудий из высокопрочного чугуна ВЧ 50.

Способ термообработки режущего инструмента из высокопрочного чугуна для разработки грунтов // 2700900

Способ термообработки высокопрочного чугуна оптическим квантовым генератором // 2700899

Изобретение относится к способам термической обработки металлов и может быть использовано для получения износостойких структур при изготовлении режущих частей и лезвий рабочих органов почвообрабатывающих орудий из высокопрочного чугуна ВЧ50.

Способ получения отбеленного слоя на поверхности рабочих органов из высокопрочного чугуна // 2700898

Изобретение относится к способам термической обработки металлов и может быть использовано для получения износостойких структур при изготовлении рабочих органов почвообрабатывающих орудий из высокопрочного чугуна ВЧ50.

Способ обеспечения теплопереноса между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем // 2700053

Изобретение относится к способу переноса тепла между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем, содержащим жидкую среду, гидрофобные наночастицы, имеющие размер в поперечном измерении между 26 и 50 мкм, и диспергирующий агент, при этом соотношение по массе концентраций наночастиц и диспергирующего агента составляет между 3 и 18 и при этом наночастицы не содержат углеродных нанотрубок.

Способ лазерного упрочнения рабочей поверхности зубьев шестерен // 2699697

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения качества и обеспечения твердости 60 HRC осуществляют закалку рабочей поверхности зуба шестерни при помощи лазерного излучателя, причем ведут поперечную подачу шестерни относительно лазерного луча и во время обработки луч лазера направлен по нормали к закаливаемой поверхности, а излучатель находится на одном расстоянии от нее.

Способ упрочнения стальной поверхности // 2699599

Изобретение относится к упрочнению стали и может быть использовано в сельскохозяйственном машиностроении для повышения износостойкости лезвий почвообрабатывающих орудий.