Способ водо-воздушной закалки крупногабаритных штампов с заданным распределением структур по сечению от рабочей поверхности к хвостовику

Авторы патента:

Хлыбов Александр Анатольевич (RU)

Минков Константин Александрович (RU)

Минков Александр Николаевич (UA)

C21D1/06 - 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 2773549:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам и устройствам термической обработки крупногабаритных штампов. Способ регулируемой водо-воздушной закалки крупногабаритных штампов с заданным распределением структур по сечению от рабочей поверхности к хвостовику включает нагрев штампа до температуры закалки и регулируемое охлаждение штампа водо-воздушной смесью. Регулируемое охлаждение рабочей поверхности осуществляют распыленной водой, а боковых граней и хвостовика воздушным потоком или спокойным воздухом, при этом охлаждение рабочей поверхности осуществляют распыляемой водой с удельным расходом 0,5-0,65 л/м²с для обеспечения в слое глубиной 30 мм начала мартенситного превращения через 300 с после начала закалки, далее охлаждение ведут с меньшей интенсивностью охлаждения распыленной водой с удельным расходом 0,27-0,4 л/м²с с обеспечением в слое глубиной 60 мм начала бейнитного превращения через 540 с после начала закалки, а затем проводят охлаждение на спокойном воздухе до выравнивания температуры по сечению штампа. Обеспечивается возможность получения необходимого распределения микроструктур с определенными механическими свойствами по сечению штампа от рабочей поверхности до хвостовика при безопасном уровне закалочных напряжений. Повышается эксплуатационная стойкость штампов за счет повышения твердости рабочего слоя и его глубины. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам и устройствам термической обработки крупногабаритных штампов. Техническим результатом является возможность получения необходимого распределения микроструктур с определенными механическими свойствами по сечению штампа от рабочей поверхности до хвостовика при безопасном уровне закалочных напряжений. Реализация этого изобретения позволяет повысить эксплуатационную стойкость штампов за счет повышения твердости рабочего слоя и его глубины.

Известен способ закалки крупногабаритных штампов в водо-воздушной установке (Борисов И.А., Голанд Л.Ф., Жигалкин И.Г. Технология водно-воздушного охлаждения при термической обработке крупногабаритных деталей - Металловедение и термическая обработка металлов, 1996, №12, с. 2-5). Охлаждение штампа с температуры закалки 860°С проходило с переменным расходом смеси через одну форсунку в два этапа: первый в течение 47 мин при расходе 100 л/ч; второй 38 мин при расходе 50 л/ч. Расход воздуха поддерживали на уровне 60 м³/ч. После второго этапа отключали подачу воды и воздуха и дальнейшее охлаждение происходило на спокойном воздухе. Продолжительность всего охлаждения составило 2,5 ч.

К недостаткам этого способа можно отнести;

- недостаточную твердость рабочего слоя (415 НВ);

- охлаждение как рабочей поверхности штампа, так и его боковых граней и хвостовика, что приводит к высокому уровню возникающих закалочных напряжений;

- рекомендуемая пропорция 25% мартенсита и 75% бейнитных структур по сечению штампа не является оптимальной и может приводить к образованию трещин.

Известен способ управляемой закалки водо-воздушной смесью молотового штампа, при котором охлаждение проводят в импульсном режиме по заранее рассчитанному режиму (патент ЕА 6413 B1, C21D 11/00, 29.12.2005), который взят за прототип предлагаемому техническому решению. Охлаждение рабочей части штампа (гравюры) в прототипе производят путем направленной импульсной подачи водо-воздушной смеси через управляемые форсунки, на каждой из которых установлен клапан, управляемый по программе, задаваемой системой управления форсунками. В отдельных случаях для изменения факела форсунки непосредственно в процессе термообработки осуществляется перемещение штампа в горизонтальной и/или вертикальной плоскости. Управляемое охлаждение ведется только со стороны рабочей поверхности. Крепежная часть штампа принудительному охлаждению не подвергается, а охлаждается за счет теплообмена с окружающим воздухом и теплопроводности материала штампа. В этом случае получаем слоистую структуру: закаленный слой и основную незакаленную «мягкую» часть штампа. При ударных нагрузках возникающие напряжения демпфируются в незакаленной массе штампа. Охлаждение только рабочей части позволяет дополнительно организовать режим самоотпуска и избежать энергетических потерь, которые возникают при нагреве изделия и выдержке его при отпускных температурах. Хвостовик в этом случае остается незакаленным и не требует дополнительного отжига (высокотемпературный отпуск) как при объемном охлаждении.

К недостаткам данного способа можно отнести следующие:

- недостаточная твердость рабочего слоя;

- проведение режима без учета особенностей распада аустенита применяемых марок сталей и, соответственно, получаемых структур;

- необходимость проводить режим с обязательным привлечением оргтехники для осуществления импульсной подачи водо-воздушной смеси через управляемые форсунки.

Технической задачей, которую решает предлагаемый способ, является возможность получения необходимого распределения микроструктур с определенными механическими свойствами по сечению штампа от рабочей поверхности до хвостовика при безопасном уровне закалочных напряжений. Это позволяет повысить эксплуатационную стойкость штампов за счет повышения твердости рабочего слоя и его глубины.

Технический результат достигается тем, что в способе регулируемой водо-воздушной закалки крупногабаритных штампов с заданным распределением структур по сечению от рабочей поверхности к хвостовику, включающий нагрев штампа до температуры закалки и регулируемое охлаждение штампа водо-воздушной смесью, регулируемое охлаждение рабочей поверхности осуществляют распыленной водой, а боковых граней и хвостовика воздушным потоком или спокойным воздухом, при этом охлаждение рабочей поверхности осуществляют распыляемой водой с удельным расходом 0,5-0,65 л/м²с для обеспечения в слое глубиной 30 мм начала мартенситного превращения через 300 с после начала закалки, далее охлаждение ведут с меньшей интенсивностью охлаждения распыленной водой с удельным расходом 0,27-0,4 л/м²с с обеспечением в слое глубиной 60 мм начала бейнитного превращения через 540 с после начала закалки, а затем проводят охлаждение на спокойном воздухе до выравнивания температуры по сечению штампа.

Реализация предлагаемого способа осуществляется на устройстве (фиг. 1): тележка 1 приемный стол 2, неподвижная часть 3, форсуночный блок 4.1, два блока форсунок: горизонтальный 4.3 и вертикальный 4.2, коллектор 5, коллектор 6, роликовые подшипники 7.

Основным узлом устройства является раздвижная цилиндрическая конструкция, представляющая собой тележку 1 с установленным на нее приемным столом 2, и неподвижную часть 3 (фиг. 1). Тележка передвигается при помощи роликовых подшипников 7, установленных на нижней ее части. Также на тележке имеется свой форсуночный блок 4.1, состоящий из двух форсунок, подключаемых к общей системе через гибкие термоустойчивые шланги. На неподвижной раме установлены два блока форсунок: горизонтальный 4.3 и вертикальный 4.2. Подача воздуха к системе осуществляется через коллектор 5, воды - через коллектор 6.

Водяной и воздушный коллекторы имеют свои точки входа, оснащенные регулировочной арматурой запорные вентили и манометры (на схеме не указаны). Загрузка нагретого до закалочной температуры штампа производится на приемный стол. После его установки производится сдвигание конструкции - подвижная тележка с установленным штампом заезжает внутрь неподвижного каркаса, образуя тем самым закрытую закалочную камеру. После этого производится подача водо-воздушной смеси требуемого состава через форсунки к поверхности охлаждаемой заготовки. После окончания охлаждения подвижная часть выкатывается из неподвижной и заготовка передается для проведения дальнейших технологических операций. Устройство устанавливается на водяном закалочном баке, а после проведения закалки демонтируется и передается к месту постоянного хранения.

Для разработки режима охлаждения по заявляемому способу была определена охлаждающая способность распыленной воды при различных давлениях воды и воздуха на специально разработанном стенде. Далее с учетом полученных данных проведено математическое моделирование опытного макета штампа размером 400×520×300 мм и определены условия охлаждения штампа, позволяющие получить необходимое распределение структур по сечению штампа от рабочей поверхности к хвостовику. На фиг. 2 представлено температурное состояние различных точек штампа в соответствии с расположением контрольных термопар (фиг. 3).

- №8 - на рабочей поверхности макета в осевой зоне;

- №9 - в угловой зоне рабочей поверхности макета;

- №10 - в средней по высоте части ребра макета;

- №11 - в осевой зоне на глубине 30 мм от рабочей поверхности;

- №12 - в осевой зоне на глубине 60 мм от рабочей поверхности;

- №13 - в осевой зоне на глубине 150 мм от рабочей поверхности.

Кривая охлаждения точки 11, расположенной на расстоянии 30 мм от поверхности, попадает в область мартенситного превращения через 300 с после начала охлаждения распыленной водой с удельным расходом 0,5-0,65 л/м²⋅с. При этом охлаждение с удельным расходом меньше 0,5 л/м²⋅с не обеспечивает достаточной интенсивности, а охлаждение с удельным расходом больше 0,65 л/м²⋅с вызывает возникновение опасного уровня напряжений. Далее охлаждение необходимо снизить интенсивность охлаждения для уменьшения уровня возникающих остаточных напряжений, поэтому последующее охлаждение проводят распыленной водой с удельным расходом 0,27-0,4 л/м²⋅с до достижения точкой 12, расположенной на расстоянии 60 мм от поверхности, температуры начала бейнитного превращения. Это происходит через 540 с после начала закалки. При этом охлаждение с удельным расходом меньше 0,27 л/м²⋅с не обеспечивает достаточной интенсивности, а охлаждение с удельным расходом больше 0,4 л/м²⋅с вызывает возникновение опасного уровня напряжений. Дальнейшее охлаждение производится на спокойном воздухе до выравнивания температуры по сечению штампа.

После закалки по разработанному способу опытный штамп разрезали по осевой линии на две равные части для контроля твердости по сечению. Выполнены замеры твердости плоскости реза вдоль осевой линии с шагом 10 мм. Результаты представлены в таблице 1.

Полученные результаты свидетельствуют о повышении твердости рабочего слоя до 45HRC и об увеличении его глубины до 50 мм.

Способ регулируемой водо-воздушной закалки крупногабаритных штампов с заданным распределением структур по сечению от рабочей поверхности к хвостовику, включающий нагрев штампа до температуры закалки и регулируемое охлаждение штампа водо-воздушной смесью, отличающийся тем, что регулируемое охлаждение рабочей поверхности осуществляют распыленной водой, а боковых граней и хвостовика воздушным потоком или спокойным воздухом, при этом охлаждение рабочей поверхности осуществляют распыляемой водой с удельным расходом 0,5-0,65 л/м²с для обеспечения в слое глубиной 30 мм начала мартенситного превращения через 300 с после начала закалки, далее охлаждение ведут с меньшей интенсивностью охлаждения распыленной водой с удельным расходом 0,27-0,4 л/м²с с обеспечением в слое глубиной 60 мм начала бейнитного превращения через 540 с после начала закалки, а затем проводят охлаждение на спокойном воздухе до выравнивания температуры по сечению штампа.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из отливок литейных жаропрочных легированных с особыми свойствами коррозионно-стойких сталей аустенитного класса для изготовления фланцев газоотводов газотурбинных двигателей газоперекачивающих агрегатов диаметром от 500 до 2500 мм, работающих в условиях предельных нагрузок при рабочих температурах выше 7000 °С.

Способ химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов // 2772475

Изобретение относится к способу химико-термической обработки литой монокристаллической лопатки из никелевого сплава для газовых турбин. Способ включает термическую обработку и диффузионное алитирование, при этом в качестве термической обработки проводят гомогенизацию и закалку лопатки, после чего лопатку помещают в контейнер, засыпают ее шихтовой смесью, содержащей алюминий и никель, а последующее диффузионное алитирование лопатки проводят при температуре алитирования, соответствующей температуре старения сплава, под воздействием деформации сжатия вдоль оси лопатки со сжимающим напряжением σ=(0,3-0,7)⋅σT, где σ - сжимающее напряжение, МПа, σT - предел текучести, МПа, и со скоростью нагружения менее 10-3 %/с-1.

Способ обработки заготовок из ферритно-мартенситной стали // 2772151

Изобретение относится к области металлургии, а именно к пластической деформации стали, в частности марки ЭИ-961Ш, в сочетании с термической обработкой, и может быть использовано при получении заготовок с улучшенными физико-механическими свойствами для изготовления изделий, предназначенных для эксплуатации при повышенных температурах вплоть до 600°С в различных областях промышленности, в том числе авиастроении и машиностроении.

Натяжное устройство, способ регулирования крена стальной полосы и способ изготовления стальной полосы // 2771056

Группа изобретений относится к натяжному устройству для натяжения стальной полосы, а также способу регулирования крена стальной полосы и способу изготовления стальной полосы посредством указанного устройства. Устройство содержит пару способных вращаться бесконечных лент, верхнюю и нижнюю, или пару способных вращаться гусениц, верхнюю и нижнюю, выполненных с возможностью зажимания стальной полосы, и способное перемещаться или поворачиваться в направлении ширины стальной полосы с помощью поворотного механизма, механизм обжатия, выполненный с возможностью выполнения обжатия зажатого участка стального листа, используя пару бесконечных лент, верхнюю и нижнюю, или пару гусениц, верхнюю и нижнюю.

Способ термической обработки поковок из низколегированной стали // 2770925

Изобретение относится к способу термической обработки поковок из низколегированной стали. Способ включает закалку, выдержку и последующее охлаждение в воде, при этом осуществляют первую закалку при температуре 930-950 °C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки, затем производят охлаждение в воде в течение не менее 10-15 мин, затем осуществляют вторую закалку при температуре 930-950 °C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки, затем производят охлаждение в воде в течение не менее 10-15 мин, после чего осуществляют отпуск при температуре 570-650 °C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки, далее поковки охлаждают в закалочном баке в воде в течение не менее 10 мин до достижения температуры поверхности поковки не выше 50 °C, при этом температура воды в закалочном баке составляет не более 20 °C на старте и не более 25 °C на финише, после чего поковки охлаждают на воздухе.

Способ формирования износостойкого покрытия и коррозионно-стойкого покрытия на поверхности изделий из стали // 2768647

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости стальных изделий к механическим воздействиям и к воздействиям агрессивных рабочих сред за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев и может быть использовано для увеличения эксплуатационного ресурса изделий. Способ формирования износостойкого коррозионно-стойкого покрытия на поверхности стальных изделий включает цементацию при температуре 1000-1100°С в течение 3-8 ч и диффузионное насыщение стальных изделий в расплаве, содержащем свинец, литий и хром, при температуре 950-1050°С в течение 2-5 ч при следующем соотношении компонентов, мас.

Способ термической обработки бронзы cucrzr, применяемый при изготовлении изделий с бериллиевой облицовкой и биметаллическим соединением cucrzr/316l(n) // 2768076

Изобретение относится к металлургии, а именно к изготовлению обращенных к плазме компонентов термоядерного реактора ИТЭР с бериллиевой облицовкой и биметаллическим соединением CuCrZr/316L(N). Способ изготовления обращенных к плазме компонентов термоядерного реактора, состоящих из биметаллической заготовки бронза/сталь CuCrZr/316L(N) и бериллиевой облицовки, включающий термическую обработку биметаллической заготовки на пересыщенный твердый раствор хрома и меди в бронзе CuCrZr с содержанием хрома 0,6-0,9% и циркония 0,07-0,15% путем нагрева биметаллической заготовки до температуры 980°С, выдержки при данной температуре в течение не менее 30 минут и закалки в воду и последующее присоединение бериллиевой облицовки к биметаллической заготовке индукционной пайкой в вакууме.

Способ производства анизотропной электротехнической стали с термостабильными лазерными барьерами // 2767370

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству листовой анизотропной электротехнической стали, преимущественно, с ориентированной зеренной структурой, которая может быть использована для изготовления различного типа магнитопроводов, в том числе сердечников трансформаторов и других электрических машин.

Сопло с нагнетательным отверстием в виде прорези и способ силицирования стальной полосы с высоким содержанием кремния посредством сопла // 2766911

Группа изобретений относится к соплу с нагнетательным отверстием в виде прорези для подачи обрабатывающего газа на стальную полосу и способу силицирования стальной полосы с высоким содержанием кремния посредством сопла. Сопло 10 имеет двухтрубную конструкцию, содержащую наружную трубу 20, имеющую нагнетательное отверстие 21 для обрабатывающего газа в направлении оси и закрытый конец, и внутреннюю трубу 30, имеющую канал подачи для обрабатывающего газа на одном конце и открытый конец, который является другим концом внутри закрытого конца наружной трубы 20, причем обрабатывающий газ подается через канал подачи и продувается через нагнетательное отверстие 21.

Способ термической обработки стальных шаров и устройство для закалки стальных шаров // 2766621

Группа изобретений относится к производству стальных мелющих шаров. Способ термической обработки стальных шаров включает подстуживание шаров с температуры горячего формования до температуры ниже точки фазовых превращений Аr1, затем подогрев шаров до температуры закалки, закалочное охлаждение в воде с температуры закалки до температуры ниже точки начала мартенситного превращения Мн во вращающемся закалочном барабане, рабочая поверхность которого образована подающими трубами, с омыванием шаров водой.

Покрытие на основе алюминия для плоских стальных изделий для компонентов для упрочнения пресс-формы и способ получения их // 2774499

Группа изобретений относится к плоскому стальному продукту, способу изготовления плоского стального продукта, способу изготовления закаленных под прессом деталей из плоского стального продукта и закаленной под прессом детали из плоского стального продукта. Предложенный плоский стальной продукт для последующей обработки аустенитизирующим отжигом в печи при температуре печи в диапазоне от 880°С до 950°С содержит покрытие на основе алюминия, включающее основной слой покрытия на основе алюминия, нанесенный методом горячего погружения и содержащий 1,8-15 мас.% кремния, предпочтительно 5-13 мас.% кремния, еще более предпочтительно 8-11 мас.% кремния. Поверхность покрытия имеет степень поглощения теплового излучения от 0,35 до 0,95, причем степень поглощения связана с температурой печи в вышеупомянутом диапазоне при обработке аустенитизирующим отжигом. Обеспечивается плоский стальной продукт, содержащий покрытие на основе алюминия, исключительно пригодный для закалки в пресс-форме, причем указанное покрытие обеспечивает сокращение необходимого минимального времени выдержки в печи. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.