Способ термической обработки нержавеющих сталей переходного и мартенситного классов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1111 5! 5804

Союз Сееетскик

Социзлистическии

Республик (61) Дополнптсльнос к авт. свпд-ву (22) Заявлено 17.10.74 (21) 2067189 02 (51) М Кч С 21Р 1/78

С 21D 6/02 с присоединением заявки ¹

Государственный конитет

Совета Министров СССР по делан изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30.05.76. Бюллетень ¹ 20

Дата опубликования описания 22,06.76 (о3) Ъ1,1с, 621.785.79 (088.8) (72) Авторы изобретен,", Н. П. Петровичев, Я. М, Потак, А. П. Фомин, Н. И. Кузина, С. Л. Натапов, Н. М. Вознесенская, В. М. Платонов, Л. С. Попова и А. В. Богданова (71) Заявитель (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НЕРЖАВЕЮЩИХ

СТАЛЕЙ ПЕРЕХОДНОГО И МАРТЕНСИТНОГО КЛАССОВ

Изобретение отно ится к области термической обработки высоконагруженных силовы« деталей и узлов (в том числе работающих под действием постоянно приложенных нагрузок) из высокопрочных нержавеющи«сталей переходного и мартенситного классов.

Нержавеющие стали переходного (аустснитно-мартенситного) и мартснситного классов, например ст. ВНС-5 (1Х15ВЧАМЗ), BHC-2 (08Х15Н5Д2 Т), могут иметь значительное количе=тво водорода металлургического или гальванического происхождения, попадающего в металл в процессе электрош.чакового переплава, хромирования и про-."e.

При этом опасным с точки зрения возникновения водородной хрупкости является только ат OMBpHbIH (диффузионно-подвижный) водород.

Атомарный водород значительно снижает эксплуатационную надежность изделий, что совершенно недопустимо для деталей, работающих под действием длительно приложенных нагрузок.

В связи с тем, что содержание атомарного водорода в реальных металлургических полуфабрикатах (поковках, штамповках, прутках) из указанных сталей может достигать 6—

8 см /100 г металла, то на практике для обеспечения эксплуатационной надежности деталей из сталей типа ВНС (обрабатываемой на

o„= 160: 10 кг/мм и o = 150+- 10кг/мм с отпуском соответственно 200 и 350 С) и для стали ВНС-2 (обрабатываемой на о, = 135 + +10 кг/мм с отпуском 415 — 450 С), 5 перед упрочняющей термообработкой осуществляют специальную дополнительную термообработку для удаления водорода.

Известен способ тсрмпческой обработки нержавеющи«сталей перс«одного н мартенсит10 ного классов, заключающийся в том, что для предварительного удаления водорода перед закалкой на гомогснный перссыщенный с твердый раствор и старением производит предварительную тсрмообработку, состоящую пз

1: многократного нагрева до температур карбидообразовання для перевода стали в полностью мартенситнос состояние и последующего длительного нагрева для десорбцпи водорода при сравнительно низки«температура«

20 существования мартен итной фазы.

Предложен способ предупреждения водородной «рупкостп нержавеющи«сталей переходного и мартенсптного классов с 1 — 30% остаточного аустенита.

25 В отличие от известны«предлагаемый способ основывается на приеме термической обработки, обеспечивающем создание структуры стали, обладающей минимальной чувствительностью к водородной «рупкости, что до30 стигается локализацией и закреплением имсю515804 щегася в стали атомарного (диффузионноподвижного) водорода, критическими дисперсными выделениями карбидов, карбонитридов (интерметаллидов) из пересыщенного и-твердого раствора, которые являются ловушками для водорода.

С целью предупреждения водородной хрупкости стали, содержащей атомарный водород, сокращения цикла термической обработки, осуществляемой для дегазации водорода, при одновременном обеспечении необходимого благоприятного сочетания прочностных и пластических свойств, старение после закалки всдут при температурах на 10 — 60 С выше температуры максимального эффекта вторичного твердения и выдержках, в 2 — 20 раз превышающих после прогрева время достижения максимального значения твсрдости при этих температурах, а перед закалкой производят гомогенизацию при температурах на 100

300 С выше температуры конца обратного превращения с выдержкой 1 — 10 час.

Положительный эффект предупреждения водородной хрупкости достигается только при определенном структурном состоянии стали за счет определенного оптимального соотношения временных и температурных параметров нагрева в закаленном на пересыщенный о.твердый раствор состоянии, что обеспечивает получение необходимого количества мелкодисперсных вторичных фаз, когерентно не связанных с матрицей, а также необходимую суммарную протяженность и необходимое энергетическое состояние межфазовых границ раздела, локализующих и удерживающих атомарный водород от диффузии.

Наиболее благоприятное сочетание прочностных и пластических характеристик стали при полном отсутствии водородной хрупкости достигается для стали ВНС-5 при температуре.локализующего нагрева 520 С с выдержкой после нагрева 30 — 60 мин, Уменьшение времени выдержки при 520 С или применение более низкой температуры, например, (500 С, не обеспечивают необходимой степени срыва когерентности выделяющихся вторичных фаз, а следовательно, вышеуказанных требований по структурно-энергетическому состоянию, необходимых для локализации и закрепления атомарного водорода.

В то же время увеличение времени выдержки при 520 С, например, более трех часов или повышение температуры, например, до 560 С с выдержкой после прогрева 30 — 60 мин приводит к уменьшению эффекта локализации и закрепления водорода некогерентными частицами вторичных фаз и, как следствие, к снижению ф.

Положительный эффект предупреждения водородной хрупкости может также лимитироваться протекающим во времени процессом обратного сс- -превращения, приводящим в момент локализации и закрепления водорода к получению дополнительного количества оста1О

2 1

2,) зо

5О

GO

65 гочного дустанита, обогащенного диффузионноподвижным водородом.

В сталях, содержащих перед закалкой остаточный аустенит, в процессе вылеживания при комнатной температуре и еще в большей степени при операциях, связанных с пребыванием стали при повышенных температурах нагрева (при низкотемпературном отжиге и пр.) происходит процесс перераспределения концентрации атомарного водорода с обогащением им аустенитной составляющей в связи с повыпенной растворимостью атомарного водорода ь v-решетке аустенита по сравнению с я-решсткой мартенсита.

В процессе нагружения под действием напряжений, превосходящих предел текучести аустенита, происходит локальное превращение его в мартенсит, который оказывается значительно пересыщенным водородом, что является причиной возникновения в этих участках очагов разрушения — флокенов ра"тяжсния, которые, интенсивно развиваясь в силу поступления к ним незакрепленного атомарного водорода из указанных прилежащих участков с повышенной его концентрацией, приводят к ускорению процесса разрушения паводороженной стали.

Для обеспечения соответствующего высокого эффекта предупреждения водородной хрупкости для сталей, содержащих перед закалкой остаточный аустенит, по предлагаемому способу необходимо осуществлять выравнивание концентрационной неоднородности атомарного водорода по структурным составляющим (в аустените и мартенсите).

Для этого сталь перед закалкой на пересыщенный гомогенный а-твердый раствор с остаточным аустенитом подвергают гомогенизирующему нагреву в аустенитном состоянии при температурах на 100 — 300 С выше температуры окончания обратного (n v) превращения с выдержкой от 1 до 10 час в зависимости от температуры гомогенизируюшего нагрева.

Для стали ВНС-5 температура окончания ооратного превращения Ак (ra v) = 780—

800 С.

Во избежание длительных выдержек, приводящих к росту зерна, более высокая температура гомогенизации рекомендуется для изделий малых толщин.

В целях упрощения процесса гомогенизации и предупреждения вредного влияния вылеживания деталей после гомогеннзации до момента подачи ее на окончательную закалку, при котором возможно повторное частичное пере распред"ление атомарного водорода между структурными составляющими — аустенитом и мартенситом, гомогенизирующую обработку целесообразно совмещать с процессом нагрева под закалку.

В процессе закалки на пересыщенный атвердый раствор с остаточным аустенитом в случае применения умеренных скоростей охлаждени» в массивных деталях, имеющих оп515804

15 0

Форму 7а изобретения

Составитель Г. Шевченко

Редактор Э. Кононович Текред М. Семенов Корректор Л. Котова

Заказ 1354/13 Изд. № 1366 Тираж 654 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр.

Сапунова, 2 ределенный перепад толщин, в центральных сечениях из-за снижения скорости охлаждения возможно выделение вторичных фаз (карбидов, интерметаллидов, карбонитридов) по границам аустенитного зерна.

Для предупреждения вредной локализации атомарного водорода вокруг выделений, располагающихся по границам аустенитного зерна, являющихся участками повышенной диффузионной подвижности, предупреждения тепловой стабилизации аустенита, а также для повышения плотности дислокаций в результате их генерирования под действием термических напряжений и обеспечения более равномерного и мелкодисперсного выделения по ним в объеме зерна вторичных фаз, и, следователь10, более эффективного и равномерного закрепления Ilo ним атомарного водорода, закалку массивных изделий на гомогенный пересыщенный сс-твердый раствор следует производить с ускоренным охлаждением в районе температур 950 — 500 С (в воде, масле или расплаве солей щелочей).

Для дополнительного увеличения эффекта предупреждения водородной хрупкости при одновременном повышении прочно=тных характеристик деталей, изготавливаемых из стареющих нержавеющих сталей с интерметаллидным упрочнением, после нагрева для локализации и закрепления водорода на некогерентных частицах вторичных фаз можно производить повторный нагрев при температурах на 10 — 100 С ниже температуры максимального эффекта вторичного твердения стали с выдержками, обеспечивающими получение максимального эффекта упрочнения при примененной температуре для данной марки материала.

Повторный нагрев обеспечивает дополнительное закрепление водорода и повышение прочностных характеристик за счет дополнительного уменьшения подвижности дислокаций, на которых находится атомарный водород.

Пример. Детали из стали BHC-5 подвергают гомогенизирующему нагреву при 950 С с выдержкой 3 — 5 час или при 1050 С с выдержкой 1 — 1,5 час, после чего производят либо охлаждение до комнатной температуры, а затем — нагрев под закалку при 1070 С, лиоо сразу же осуществляют подъем температуры до температуры закалки 1070 С или перенос в печь с температурой 1070 С.

После соответствующей выдержки при темтературе закалки в зависимости от толщины детали от 0,5 — 1,5 час, осуществляют форсированное охлаждение в расплаве солей (щелочей) с температурой 400 — 220 С или в воде (масле) до 500 С.

После указанной обработки сталь подвергают дополнителbному охлаждению по установленным технологией режимам: при температуре минус 50 — 55 С с выдержкой 4—

6 час или при минус 70 С с выдержкой 2—

4 час.

Окончательный нагрев для локализации и закрепления водорода на некогерентных мелкодисперсных выделениях вторичных фаз производят при 510 — 530 С с выдержкой после прогрева 30 — 60 мин (при обраоотке на ав=

=150 + 10 кг/ммз или при 550 — 560 С с выдержкой после прогрева 10 — 20 мин прп обработке на ов = 140 + 10 кг/мм ).

После указанной обработки сталь, содержащая даже более 2 смз/100 r мета.чла атомарного водорода совершенно не чувствительна к водородной хрупкости.

1. Способ термической обработки нержавеющих сталей переходного и мартенситного классов, включающий предварительную термическую обработку, закалку на пересыщенный гомогенный а-твердый раствор и старение, отличающийся тем, что, с целью предупреждения водородной хрупкости при одновременном сокращении цикла термической обработки, старение проводят при температурах на 10 — 60 С выше температуры максимального эффекта вторичного TBердения и выдержках, в 2 — 20 раз превышающих время достижения максимального значения твердости при этих температурах, а перед закалкойпроизводят гомогенизацию при температурах на

100 — 300 С выше температуры конца обратного превращения с выдержками 1 — 10 час, 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что закалку массивных изделий на пересы1ценный твердый а-раствор производят ускоренным охлаждением в интервале температур

950 — 500 С.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что гомогенизацию осуществляют в процессе нагрева под закалку.