Способ термической обработки изделий

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

<л969753 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 031180 (21) 3001082/22-02 с присоединением заявки ¹(23) Приоритет

Опубликовано 30.10.82. Бюллетень ¹ 40

Дата опубликования описания 3010.82

Р М К„з

С 21 0 1/10

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК621. 785 (088. 8) Н.В. Зимин, И.К. Акимов, Г.Ф. Головин,-.,Н.È. Пичурин, В.В. Челышев, В.В. Кириченко и В.В. арасов с

Всесоюзный научно-исследовательский проектноконструкторский и технологический институт токов высокой частоты им. В.П. Вологдина (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к термической обработке стали и может быть использовано преимущественно для термической обработки длинномерных иэделий иэ конструкционных и строитель-, ных сталей.

Известен способ термической обработки углеродистых сталей с целью повышения их ударной вязкости, по которому изделия 4-6 раз нагревают до температуры на 30-60оC выше A например 750-?80оC, со скоростью

50-150оC/ìèí, а затем охлаждают на воздухе до температуры на 30-60оС ниже A„, например 590-610 С, окончательйое же охлаждение до комнатной температуры проводят в воде или масле (11.

Недостатками способа являются большая длительность Процесса термической обработки иэделий, невозможность обрабатывать массивные и длинномерные изделия, черезвычайно низкие прочностные свойства обрабатываемых иэделий.

Известен способ термической обработки углеродистой и малолегированной стали с целью значительного повышения прочностных свойств и получе,ния удовлетворительных свойств плас- . личности и вязкости, по которому иэделия после нагрева до температур аустенизации стали резко переохлаждают в струях жидкости до 200-500оС, подвергают скоростному нагреву до

550-700 С без выдержки и последующему ускоренному охлаждению (2 ).

Недостатками способа являются невозможность обработки достаточно массивных изделий из-эа значительного градиента температур, возникающего по сечению при резком струйном охлаждениит весьма низкие значения ударной вязкости при отрицательных температурах; ограниченный сортамент сталей, которые можно обрабатывать по этому способу.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки изделий, по которому охлаждение после нагрева до температур аустенити- зации осуществляют импульсным методом с расходом жидкости Мс0,1 м /с- м при продолжительности первого импульса, равной времени снижения температуры внутренних слоев или центра иэделия на 1%, и продолжительности последующих импульсов, равной 0,5-1,0 длительности предыдущего импульса при дли,тельности пауз между ними, равной

969753 двум продолжительностям предыдущего импуль".а охлаждения. При таком охлаждении наружные слои изделия не закаливаются на мартенсит, а внутрейние слои или центр изделия сохраняют заданный темп охлаждения, близкий к оптимальному (33 °

Недостатками известного способа являются сравнительно невысокие значения ударной вязкости стали при отрицательных температурах, в особен,ности низкие значения составляющей ударной вязкости, соответствующей работе развития трещины, а также доволь но высокий температурный порог хладноломкости, Цель изобретения — получение в иэделиях наряду с высокими значениями предела прочности и относительного уд линения повьпаенных значений ударной вязкости при отрицательных температурах, в особенности составляющей ударной вязкости, соответствующей работе развития трещины, существен-, ное повышение сопротивления металла хрупкому разрушению, значительное снижение температурного порога хладноломкости, а также получение высокой однородности свойств по периметру и длине изделий, снижение производственных площадей и повышение производительности процесса..

Для достижения поставленной цели согласно способу термической обработки изделий, включающему индукционный нагрев и импульсное охлаждение, нагрев и импульсное охлаждение проводят циклически, при этом нагрев осуществляют в интервале А -А с

3 ч постепенно снижающейся от цикла к цик лу температурой согласно формуле где и — число циклов нагрева;

t — порядковый номер цикла, а импульсное охлаждение производят до достижения температуры в центре иэделия в интервале M „ (M „ +175 C).

Число циклов нагрева и количество импульсов между циклами нагрева выбирают не менее трех.

Из теории металловедения известно, что чем мельче исходное зерно в стали, тем быстрее и полнее происходят в ней фазовые превращения при нагреве выше А . При очень мелком зерне избыточный феррит в доэвтектоидной стали может полностью исчезнуть при температурах, значительно меньших Ас для этой стали.

8 случае же многократного нагрева это превращение ускоряется еще больше. Установлено, что чем больше циклов нагрева претерпевает сталь, тем ниже может быть температура послед5

65 него цикла (но не ниже A J. Таким образом, постепенно снижающаяся температура циклического нагрева обеспечивает решение сразу двух важных задач: во-первых, отсутствует перегрев стали и происходит еще большее размельчение зерна, одновременно с чем осуществляется практически полная фазовая перекристаллизация доэвтектоидной стали; во-вторых, благодаря этому экономится электроэнергия.

Применение импульсного охлаждения обеспечивает дост ат очно быстрый отвод тепла из всех слоев сечения, причем в наружных слоях образуется структура сорбита закалки, а во внутренних слоях или в центре изделия аустенит переохла>кдается до температуры, близкой к началу мартенситного превращения, и при последующем нагреве также распадается с образованием тонкоплас тинчатого сорбита. В результате этого к достижению температуры А в каждом следующем цикле нагрева все сечение изделия подходит с достаточно однородной и мелкодисперсной структурой; тем более однородной и мелкой, чем больше порядковый номер цикла нагрева.

Поэтому с каждым следующим циклом нагрева превращение исходной структуры в аустенит в интервале температур

,А -Т. происходит все быстрее и полG4 нее и для него требуется все меньшая конечная температура нагрева Т„ .

Время нагрева определяется допустимым градиентом по сечению, который должен быть как можно меньше для получения наибольшей однородности аустенита по сечению изделия.

Размельчение зерна и повышение однородности структуры приводят к увеличению прочности и заметному возрастанию ударной вязкости изделий, что в конечном итоге приводит к повышению надежности их в работе.

Изделие нагревают любым ускоренным методом до температуры Асз стали. затем осуществляют импульсное охлаждение его до температуры внутренних слоев или центра иэделия не ниже начала мартенситного превращения стали. После этого производят ускоренный нагрев изделия до температуры, меньшей

Ас -Ac,q

А на величину з iгде с и и — предполагаемое число циклов нагрева, снова производят импульсное охлаждение и т.д. Число циклов нагрева и импульсов охлаждения может быть любым, но не меньшим трех. При числе циклов нагрева большем б эффект размельчения зерна от каждого следующего цикла становится ничтожным и существенной роли не играет. Число импульсов охлаждения должно быть тем большим, чем больше размеры изделия.

969753

Окончательное охлаждение изделия производят в зависимости от требуемых свойств; последний импульс может продолжаться до полного остывания иэделия или после него производится выравнивание температуры по сечению изделия и охлаждение его на воздухе, или после него производится дополнительный нагрев до температуры не выше A „ и полное охлаждение изделия, или, йаконец, нагрев до температуры выше Ас (до аустенитизации стали) и последующая закалка душем жидкости с обязательным нагревом под отпуск.

На фиг. 1 -4 приведены графики зависимости температуры наружной Т„ 15 и внутренней Т „ поверхностей труб с раэличнЬй толщиной стенки и из различных марок стали от времени нагрева и охлаждения по предлагаемому способу. 20

На фиг. 1 приведен график термической обработки трубы с толщиной стенки 10 мм и из стали Ас =850-870 С, М„=ЗОООС, по которому йзделие нагревант до температуры Ас =850-870 С, затем осуществляют импульсное рхлаждение до температуры внутренних слоев или центра изделия не ниже начала. мартенситного превращения М „ 300ОC.

После этого производят ускоренный нагрев изделия до температуры, меньшей A на величину где

Ас -Ac с> и ,n — предполагаемое число циклов нагрева (в данном случае п=3), снова производят и ульсное о жцение, 35 и т.д. После третьего цикла, в зависимости от требуемых свойств производят окончательное охлаждение изделия. Например, производят дополнительный нагрев до температуры не выше A „ 40 и затем полное охлаждение иэделия душем малой интенсивности (кривые 1), при этом получают повышенные прочностные характеристики стали и несколько заниженные характеристики 45 пластичности; или последний импульс может продолжаться до полного остывания иэделия (кривые 2), при этом получают повышенные характеристики пластичности и ударной вязкости и несколько пониженные значения прочности; или производят выравнивание температуры по сечению изделия и охлаждение его на воздухе (кривые 3), при этом получают максимальные значения пластичности и ударной вязкости при минимальных значениях прочности, На фиг. 2 изображен график термической обработки трубы с толщиной стенки 10 мм и стали с А =770-790ОС, 60

M„ 280 С. Последовательность операций аналогична описанной для фиг. 1.

На фиг. 3. изображен график термической обработки трубы с толщиной стенки 5 мм иэ стали с Ась=850-870 С

М М„300 С. Последовательность операций аналогична описанной для фиг. 1.

На фиг. 4 изображен график термической обработки трубы с толщиной стенки 5 мм иэ стали с А =770-790(С и

M„=280 С. Последовательность операций аналогична описанной для фиг. 1.

Экспериментально установлено, что при импульсном охлаждении наилучшие результаты од однородности. структуры и величине зерна по сечению иэделий достигаются, если температура в центре нли на внутренней поверхности изделий к моменту прекращения любого этапа импульсного охлаждения находится в пределах температур от

М + 175 С до M „(как показано на фиг. 1 — 4) . Охлаждение ниже Мн недопустимо, так как приводит к образованию мартенсита, резкому повышению опасности возникновения трещин и ухудшению свойств иэделий. Охлаждение до температур, превышающих

М „ + 175 С, не обеспечивает получение нужной дисперсности структур перед очередным циклом нагрева и в конечном итоге существенно снижает эффективность циклического нагрева и достижение тех целей, которые указаны в формуле изобретения.

Пример 1. Карты из стали

17Г2СФ, вырезанные из спиральношовных труб диаметром 1020 мм с толщиной стенки 10 мм, подвергают циклическому нагреву и импульсному охлаждению по режиму, приведенному на фиг. 1.

После нагрева карт до 850-860 C (A(- для стали 17Г2СФ) осуществляют пятйимпульсное одностороннее охлаждение душем малой интенсивности до температуры внутренней поверхности карт около 500(C. При этом во внутренних слоях обеспечивается скорость охлаждения около 40 град/с.

Затем производится ускоренный индукционный нагрев до температуры

Т -Ас () (i -1), где А В50гС)

А< 730 С; и = 3; i = 2, т.е.

T> = 850- †= 810ОС, со скоростью

60-70 град/с. Далее — вновь пятиимпульсное охлаждение; третий нагрев до температуры Т. =850 — — — ° 2 =770 С, 120 о четырехимпульсное охлаждение с последующим выравниванием температуры на уровне 450ОС и окончательным охлаждением на воздухе (вариант 3, фигс 1). По всему сечению получено зерно 12 -13 балла по ГОСТ 5639-65.

Свойства металла труб:Йз =6570 кгс/мма36од=35-60 кгс/(ы dg =20-25%; а-4о =12-15 кгс м/см а =4-6 кгс - M/см; НН=180-200 кгс/мм .

-40 и, 2

Р

Пример 2. Пятицикловый нагрев до температур: 850; 025; 800;

775; 750 С и такое же, как в первом, 969753

8»

Формула изобретения

И,икП

Ыцикл

Ши икл й) 15 Zy 2Х У 35 40

Время С аиг./ примере, охлаждение позвопяют получить {на картах иэ стали 17Г2СФ) зерно 13-14 балла и следующие свойства: бэ =70-75 кгс/мм ;ба =62

67 кгс/мм ; ds = 22-25%;й " =13

18 кгс.м/см ;ар о=5,5-8,0 кгс.м/см;; 5

ИЧ=190-210 кгс/ммР

Пример 3. Пятицикловый нагрев и применение в качестве окончательной операции закалки от температуры А „ и отпуска при 650 С позво- 10 ляют на картах иэ стали 17Г2СФ получить следующие свойства: dg =80

85 кгс/мм," б =70-75 кгс/мм о =18-22%; d-4o=8 12 кгс.м/см °

- о т Н т

=5-7 кгс м/см ;НУ=230-270 кгс/мм .)g

Пример 4. Сталь 25. Патруб-с ки, вырезанные иэ труб диаметром

168 мм с толщиной стенки 5 мм, подвергают циклическому нагреву и импульсному охлаждению по режиму, приведенному на фиг. 3.

Последовательный нагрев до температуры 850, 810, 770ОС, трехимпульсное охлаждение между циклами нагрева, нагрев до 730 С, закалка душем и от пуск при 600ОС позволяют получить в патрубках зерно 10-11 балла и свойства:Ьз=?0-75 кгс/мм ;6 =- 60

65 кгс/мм ; dan=18-22%; 8-<< 9

13 кгс м/см ; HV=220-260. кгс/мм .

Чем больше углерода в стали, тем уже 30 температурный интервал циклического нагрева, тем быстрее осуществляются операции циклического нагрева и импульсного охлаждения (фиг, 2 и 4).

Применение предлагаемого способа циклического нагрева с промежуточным ,импульсным охлаждением позволяет существенно повысить ударную вязкость, в особенности ее coc1àâëÿþøóþ, соответствующую работе развития трещины, 40 и тем самым увеличить сопротивление металла изделия хрупкому разрушению, заметно снизить температурный порог хладноломкости, а также достичь более высокого уровня прочности и пластичности изделий.

1. Способ термической обработки изделий, включающий индукционный на грев и импульсное охлаждение, о т— л и ч а 1о шийся тем, что, с целью повышения ударной вязкости при сохранении прочности, нагрев и импульсное охлаждение проводят циклически, при этом нагрев осуществляют в интервале А "At с постепенно снижающей 1 ся от цйкла к циклу температурой согласно формуле т, - a, -(. - >. < r — т) с, где n — число циклов нагрева ;.

i, — порядковый номер цикла, а импульсное охлаждение производят до достижения температуры в центре иэделия М „-(М„+ 175" С) .

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что число циклов нагрева и количество импульсов между циклами нагрева выбирают не меньше трех.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 459518, кл. С 21 0 1/00, 19?7.

2. Авторское свидетельство СССР

9 252380, кл. С 21 D 9/52, 1969.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 662598, кл. С 21 D 1/10, 1979.

969753

1 икл

1?цикл

1Гцикл

УОО л. 700 бОО

g Ó0

400 ф Яд

00 6 20 25 30

7цикл Пцакл

Шцикл

Ю

ФагЗ

Брень 7,С цикл Пцикл Шиикл го г

Время Z,Е

Фиг.4

Редактор В.

Заказ 8317/27 Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал, ЮО 8ОО ь 700 400 м -40

S0

>20

h70

УОО м 800 700

3 .600 Т ОО

400 фУО

- 200 - И

Составитель A. Денисова

Петраш Техред Е.Харитончик Корректор В. Бутяга

ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4