Способ определения параметров термической обработки и деформирования

 

О П И С А Н И Е (и659100

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистимеских

Реслублмк

К ПАТЕНТУ (61) Дополнительный к патенту— (22) Заявлено 21.09.71 (21) 1700151/22-02 (23) Приоритет — (32) 22.09.70 (31) СŠ— 721 (33) ВНР (51) М К

С2! D 1/00

Государственный комитет

СССР

Il0 делам нзаоретеннй и открытнй

Опубликовано 25.04.79. Бюллетень № 15

Дата опубликования описания 2б.ОФ. Ю (53) УДК620.179.

13 (088.8) Иностранец

Андраш Тейфалуши (ВНР) (72) Автор изобретения

Иностранное предприятие ((Ценели Феммю» (ВНР) (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ И ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Изобретение относится к способу определения параметров термической обработки и деформирования при многоступенчатой технологиии.

Известно, что оптимальные качества материала или изделия определены строгими границами параметров. Например, в металлургии эти параметры определяют по множеству испытуемых образцов с одинаковым исходным состоянием путем многочисленных испытаний термообработкой или же испытаний на деформацию в комбинации с термообработкой в печах с различной температурой и практически однородным распределением температуры в течение различных промежутков времени. После проведения этого эксперимента полученные многочисленные испытуемые образцы исследуют известными способами, например измеряют твердость, проводят металлографические исследования, определяют структуру материала с помощью рентгеновских лучей, проводят различные измерения электрического и магнитного характера и так далее. Затем останавливаются на определенном по результатам исследований самом целесообразно испытуемом образце. Вслед за этим могут быть установлены те параметры термообработки и деформации, которые придали ичеющичся образцам благоприятные качества. Получснный результат должен быть удовлстворительныч. т.е. среди полученных образцов можно было бы найти, Ilo крайней мере, один, качсства которого соответствовали бы жсласчым; тогда способ может рассматриваться как окончательный; в другоч случае должна быть проведена серия опытов с примснснисм следующих комбинаций параметров.

Описанный выше способ по своей сути

10 устарел и далеко уступает современному уровню техники. Необходимые опыты отнимают много времени и требуют болыное количество испытательного материала, энсргии, а также мощности оборудования. Поставленная цель не может бь.ть достигнута

I5 прямым путем, а искомый оптимуч, вследствие большего числа всеx возможных параметров, не может быть найден с достаточной надежностью.

Известен способ определения Iiàðÿìåòðoâ о термической обработки (закалки) путсч предварительной обработки (закалки) образца материала в условиях изменения в пределах образца одного из параметров (скорости охлаждения) в одном (радиальноч) направлении и измерения изменения характс659100

35 ло

3 ристик материала (твердости) в том же направлении (1).

Однако такой способ позволяет определить оптимальные условия обработки лишь по одному параметру — твердости, являющейся функцией скорости охлаждения.

Цель изобретения — одновременно выявить несколько оптимальных параметров режима технологической обработки, являющихся функцией нескольких, предпочтительно двух характеристик, с помощью одного лишь образца, т.е. просто, быстро и точно определить оптимальные режимы технологии с применением минимума материалов для исследований и энергии.

Для этого в пробе, взятой из материала, для которого должна быть применена устанавливаемая технология, или же в среде, находящейся во взаимодействии с названной пробой, по крайней мере, по трем различным направлениям проводят обработку с тремя различными. переменными характеристиками одновременно или последовательно. После проведения такой обработки образец исследуют путем измерения параметров, являющихся функцией этих характеристик, и выявляют диапазон наиболее благоприятных режимов обработки.

Исследование можно повторить с изменением тех же характеристик на одном и том же образце, но при изменении их в уже установленном оптимальном диапазоне, что повышает точность подбора параметров обработки.

Таким образом одно- или многократное повторение исследований способствует установлению оптимума технологических параметров и их допустимого рассеяния. Соответственно этому технология может быть осушествлена с учетом определяемых вышеописанным образом величин параметров, или же их рассеяния.

Целесообразно обрабатывать образцы с переменными характеристиками в материале, для которого должна быть применена устанавливаемая технология, во взаимно перпендикулярных направлениях, так как определенные комбинации, соответствующие неоднородностям двух или трех параметров, могут быть затем очень просто связаны с каждой отдельной точкой исследуемого образца.

Ниже описан способ получения неоднородности термообработкой или же деформированием. Согласно предлагаемому способу на образце, изготовленный из исследуемого материала, в известном направлении воздействуют различными температурами, неоднородность температурного распределения определяется в ходе термообработки или же при необходимости испытуемый образец до или после термообработки подвергается постоянно изменяющейся степени деформации.

5 ло

- о

Вследствие того, что градиенты неоднородных термообработок или деформирования внутри того же самого испытуемого образца располагают по отношению один к другому под определенными углами, преимущественно под 90, на единственном испытуемом образце могут быть получены многочисленные комбинации параметров термообработки и/или деформирования. Так как с помощью соответствующих измерений могут быть определены градиенты всех температурных распределений или же в направлении характеристических величин деформаций, то комбинация параметров, приложенных к любой точке испытуемого образца, может быть легко считана с помошью подходящей для данного образца координатной системы, которая располагает осями, связанными с градиентами, совпадающими по направлению и масштабу.

Точность способа может быть повышена тем, что в ходе исследования способ повторяют еше раз при уменьшенных абсолютных значениях градиентов на одном испытуемом образце, исходное состояние которого идентично с исходным состоянием образца при предыдущем испытании. Точность способа гарантирована тем, что комбинации параметров, относящиеся к соответствующему состоянию практически правильной технологии, т.е. те случаи, где термообработки и/или деформирование рассматриваются как однородные, могут быть приближены методически с любой точностью.

На фиг. 1 дана принципиальная схема устройства для одномерной неоднородной термообработки; на фиг. 2 и 3 — схемы устройства для получения температурных градиентов; на фиг. 4 — график результатов ооработки по примеру 6; на фиг. 5 — образец после обработки по примеру 6.

Пример I. С помощью то кап роводных зажимных клемм 1 и 2 испытуемый образец 3, состояший из пласти н, включается в цепь тока нагрева и подвергается неоднородной термообработке. Начальное напряжение вдоль продольной оси испытуемого образна 3 (направление неоднородности совпадает с продольной осью) измеряют с помощью чувствительного термометра 4, который перемешается вдоль шкалы 5 с делениями и в любом месте продольной оси может быть приведен в соприкосновение с испытуемым образцом 3. С помощью датчика 6 температу ры управляют регулятором температуры (на чертеже не показан). Температурное распределение по своей природе может быть измерено любым другим способом, например, термистором, пирометром, тепловым мелом или красками и так далее.

Испытуемый образец 3 нагревается протекаюшим электрическим током, причем вследствие постоянного уменьшения ширины

659!00

5 вдоль его продольной оси получается неоднородное распределение температуры. Температура клеммы 1 поддерживается постояннйс помощью охлаждения протекающей водой. Место соприкосновения испытуемого образца 3 с датчиком 6 температуры можно нагревать на систематическую ошибку любой температуры, регулируемую или же застабилизированную температурным регулятором.

Распределение температуры в образце 3 между двумя точками равной температуры в разреженном пространстве зависит лишь от соотношения теплопроводности и теплоизлучения. Так, например, идеальная структура изготовленного из пластин испытуемого образца для любой неоднородности может быть определена расчетным путем.

Устройство (фиг. !) может применяться в частности для исследования влияния или же влияний от простых термообработок, при которых желаемая температура гермообработки должна быть достигнута преимущественно с высокой скоростью нагрева, например при исследовании перекристаллизации. С помощью этого устройства можно определить, например, оптимальные параметры для нагрева при перекристаллизации испытуемых образцов, изготовленных из никелевой пластины, имеющих следующие габаритные ра"меры: длина 208 мм (использованная измеренная длина 150 мм), толщина пластины

0,2 мм, причем уменьшение расширения вдоль продольной оси испытуемого образца происходит линейно с 30 мм до 20 мм. Температура испытуемого образца между токопроводящими зажимными клеммами колеблется в разреженном пространстве при давлении 1О Т в границах 450 — 720 С вдоль его продольной оси. Неоднородность температуры вдоль продольной оси испытуемого образца измеряется двигающимся вдоль продольной оси или же находяшимся постоянно в контакте с испытуемым образцом термоэлементом. Температурная зависимость твердости и структуры внутри вышеприведенных температурных границ может быть определена на испытуемом образце с точностью более чем +-5 С.

Область температур, принимаемая во вни мание для оценки, может быть исследована с повышенной точностью на испытуемом образце в том же исходном состоянии, в котором неоднородность температуры в пересчете на единицу длины из-за уменьшения ширины испытуемого образца в пересчете на единицу длины постепенно уменьшается. Оптимальная температура термообработки или же допустимое ее расстояние могут быть так же с любой точностью приближены или определены.

Далее проводят экспери менты, в которых количество получаемой информации уве$5

Точность определения параметров повышается. если величины неоднородности (стей) в пересчете на единицу длины уменьшается. а процесс испытания повторяется с образцом одинакового исходного состояния в рассматриваемых областях с целью исследования до нужного значения. личилось вследствие того, что испытуемый образец, изготовленный из пластин и подвергшийся неоднородной термообработке, до и/или после неоднородной термообработки подвергается дополнительно в области однородных температур термообработке или же однородной деформации

Пример 2. С помощью устройства по фиг. 2 и 3 получают многочисленные комбинации термообработок при двух различных значениях температуры на изготавливаемых из пластины испытуемых образцах одинакового качества, и устанавливают оптимальные комбинации температур или же допустимое рассеяние температур термообработки. Испытуемый образец 7 находится внутри однородного 8 и неоднородного 9 обогреваемых нагревательных элементов.

Распределение температур в направлении продольной оси испытуемого образца, которое может иметь любую неоднородность, получают наложением воздействия нагревательных элементов 8 и 9.

По окончании желательного времени термообработки образец 7 вынимают из печи, после любого охлаждения поворачивают вокруг оси, наклоненной к его плоскости преимушественно на 90 и снова вводят в печь

25 с желательным температурным распределением. Таким образом, в образце 7 создается известное неоднородное распределение тсм пературы в направлении, наклоненном к прежнему направлению проходившей до этого термообработки. После окончания термообзю работки образец 7 можно удались из печи.

Вследствие двойной последовательной неоднородной термообработки к каждой отдельной точке испытуемого образца могут быть применены все температурные комбинации обеих термообработок. Температурные комбинации, принадлежащие отдельным точкам, могут быть определены с помошью приведенной в соответствие с испытуемым образцом координатной системы. На оси координатной системы наносят измеренные в направлении температурных градиентов распределения температур, соответствуюшие по направлению и масштабу. Отдельные комбинации температур могут быть определены как точки пересечения прямых, параллель4> ных к направлениям обоих термообработок. то есть изотерм термообработок.

До, во время, между и/или после обеих вышеописанных термообработок испытуемый образец может в области однородного распределения температур как угодно долго нагреваться и как угодно деформироваться.

659100

Зо

Пример 3. В данном примере описывается способ для определения большого количества параметров термообработки и деформации, согласно которому производят неоднородные термообработку и незначительные неоднородные деформации (1 — 10%) над испытуемыми пластинчатыми образцами.

Испытуемый образец в виде пластины деформируют на направляющих валках вертикально в переменных границах, неоднородно, причем вальцовочная пара сжимается на концах с различной силой. Испытуемый ооразец до, во время и после неоднородной деформации неоднородно разогревается в устройстве (фиг. 2) такого типа, что направление градиента температуры образует угол

90, измеренный в плоскости пластины, с направлением градиента неоднородности деформации.

По окончании операций комбинации параметров термообработки и деформации, принадлежащие областям или же точкам, имеющим значение для цели исследования, и определенные при испытании материала, определяют с помощью координатной системы. приведенной в соответствие с испытуемым образцом, на оси которой были нанесены характерные для неоднородностей величины, соответствуюьцие им по направлению и масштабу.

Точность определения параметров может быть повышена благодаря дальнейшему систематическому последовательному уменьшению неоднородностей.

Испытуемый образец может быть так же до, во время, между и/или после неоднородных операций деформации и термообработки подвергнут гакже любому однородному процессу нагревания или же деформации.

Пример 4. Оптимизация термообработки или связанной с термообработкой технологии деформации проволок, труб, полос или профилей может производиться предлагаемым способом, когда испытуемые образцы зажимают соответствующими крепежными приспособлениями, преимущественно в форме прямоугольной решетки параллельно один другому, и образованные подобным образом решетки обрабатывают, сохраняя последовательность рядов элементов решетки, по примеру 3. Для неоднородной деформации решетки отдельные ее элементы изымают, вследствие чего каждый элемент решетки деформируется в различной степени (вытягивается, вальцуется и так далее) и, наконец, снова вводится в решетку. Опыт оценивают, как в примере 3.

Пример 6. Коэрцитивная сила и средняя величина зерен магнитномягких стальных полос находятся под воздействием обезуглероживаюгцей термической обработки, критической деформации, а также термической обработки с целью увеличения размера зерен.

1о

20 зз зо зз

8

Для определения зависимости между свойствами материала и характеристиками технологических обработок образцы подвергают градиентным обработкам в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Ниже приведены технологические параметры, рассматриваемые как градиенты.

1) Обезуглероживающая термическая обработка при 600 — 850 С, выдержка 5 ч.

2) Критическая деформация, степень

2 — -15%.

3) Термическая обработка с целью увеличения размера зерен при 600 — 960 С, выдержка 2 ч.

Цель опытов — получение материала толшиной 4 мм с коэрцитивной силой, равной менее 1 Э, из магнитномягкой стальной полосы толщиной 7 мм.

Состав: 0 06% Си; 0 08% Сг; 0,05 / С;

0050 А! 042% Мп; 003о/о S1; 0009% S;

0,009% Р; остальное — Fe.

Размеры 100 Х 200 Х 7 мм количество образцов — 10.

10 испытуемых образцов одинаковых размеров на расстоянии 20 мм один от другого расставляют в держателе, который вместе с образцами помешают в печь с градиентным распределением температуры так, чтобы вдоль нормали испытуемых образцов создавалось постепенно возрастаюшее распредсление температуры.

Нагревательная система печи регулируется так, что температура первого,испытуемого образца находится в изотермической плоскости для температуры 600 С, а температура десятого испытуемого образца — в изотермической плоскости для 850 С. Обезуглероживающая термическая обработка проводится при нормальной атмосфере в течение 5 ч.

После термической обработки 10 испытуемых образцов однородной деформацией прокатывают до конечной толшины, равной

4,3 мм и снова обрезают до первоначальных размеров. После этого образцы подвергают светлому отжигу в атмосфере аргона в течение 2 ч при 710 С.

Затем образцы деформируют в различной степени на двухвалковом прокатном стане, где можно изменять угол между двумя осями двух валов.

Оси валов устанавливают так, чтобы во время прокатки каждый испытуемый образец вдоль 100-миллиметровых боковых граней уменьшал толшину, плавно изменяющуюся от 3,75 мм до 4,2 мм. Следовательно, степень холодной деформации составляла

2 — 15%. Прокатке подвергаются все 10 образцов.

После деформации перпендикулярно на. правлению градиента деформации проводят градиентное распределение температуры при термической обработке с целью укруп659100

10 нения зерен. Все испытуемые образцы накладывают один на другой и соединяют, а затем помещают в печь с соответствующим градиентным распределением температуры так, чтобы направление температурного градиента было параллельно 200-миллиметровой грани образца. Нагревательную систему печи регулируют так, что один конец образца попадает в изотермическую плоскость для 600 С, а другой конец — в изотермическую плоскость для 960 С. Термическая обработка осуществляется в атмосфере аргона в течение 2 ч.

Эффект обезуглероживающей термической обработки неоднородным распределением температуры, влияющей на содержание углерода, показан на фиг. 4. Температура представлена кривой Т, распределение содержания углерода — кривой С и характеристическая нумерация испытуемых образцов в термообрабатываюгцей печи — абсциссой.

На фиг. 5 показан испытуемый образец, который во время обезуглероживания градиентным распределением был бы подвергнут термической обработке при 780 С. Это дает одновременно двухмерное сечение трехмерной градиентной обработки.

При сравнении с фиг. 4 ясно видно, что температура обезуглероживания обеспечивает минимальное значение содержания углерода. На фиг. 5 показан эффект градиентного распределения с переменным значением, произведенный на величину зерен или на их укрупнение.

Как распределение углерода, так и величина зерен играют значительную роль в образовании коэрцитивной силы, так как коэрцитивная сила прямо пропорциональна содержанию углерода и обратно пропорциональна величине зерен. Таким образом, области параметров, ценные с технологической точки зрения, определяются на этой основе.

Распределение величины зерен,. других двухмерных сечений, полученных после обезуглероживаюгцей термической обработки, аналогично вышеизложенному, однако максимальная величина зерен немного меньше.

Следовательно, коэрцитивная сила после обезуглероживающей термической обработки (780 С) будет минимальной, т. е. она возрастает как при повышении, так и при понижении температуры.

На основе оценки обезуглероживаюшей градиентной обработки с помощью вышеизложенных принципов и с учетом технологических возможностей получены следующие оптимальные технологические значения параметров исследуемого материала с коэрцитивной силой менее 1 Э.

Температура обезуглероживающей термической обработки 780 С

Степень критической деформации 7 /0

Температура термической обработки для укрупнения зерен 820 С.

1$

Фор,мула изобретения

1. Способ определения параметров термической обработки и деформирования, являющихся функцией нескольких характеристик, путем обработки исследуемого образца с изменяющейся характеристикой в одном направлении, например по длине образца, с последующим измерением исследуемого параметра, отличающийся тем, что; с целью сокращения затрат времени и повышения точности выявления оптимальных значений исследуемых параметров технологической обработки, тот же самый образец обрабатывают дополнительно с другой, по крайней мере, зо одной изменяющейся характеристикой в другом направлении, например по ширине образца, после чего производят измерение исследуемых параметров.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку образца с изменяющимися характеристиками ведут по взаимно перпенЗ дикулярным направлениям.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что обработку образца с изменяющимися характеристиками проводят одновременно.

4О 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что обработку образца с изменяющимися характеристиками проводят последовательно.

Источники информации, принятые во вни4% мание при экспертизе

1. Гудремон Э. Специальные стали, М., Мета ллургиздат, 1959, т. 1, с. 337 — 338.

659100 т, с

19 е, а

Составитель Г. Шевченко

Редактор В. Дибобес Техред О. Луговая Корректор А. Власенко

Заказ 1890/60 Тираж 652 Подписное

IjHNHIIH Государственного комитега (.ССР

llo делам изобретений и о- яргв ии

I 13035, Москва, Ж 35, Раугнская наб., д. 4 5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектн 1я, .1