Способ термической обработки изделий

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик л 969753(22) Заявлено 031180 (21) 3001082/22-02с присоединением заявки Мо(23) ПриоритетОпубликовано 30.10.82. Бюллетень Но 40Дата опубликования описания 301082 РМ Кз С 21 0 1/10 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий.(088.8) Н.В. Зимин, И.К. Акимов, Г.Ф. Головин,;:И.И. Пичурин,В.В. Челышев, В.В. Кириченко и В.В. арасовВсесоюзный научно-исследовательский проектноконструкторский и технологический институт токоввысокой частоты им. В.П. Вологдина(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 30-60 оС выше АС например 750-80 оС, со скоростью 50-150 оС/мин, а затем охлаждают на воздухе до температуры на 30-60 оС ниже А, 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 длин- номерные изделия, чрезвычайно 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 иэ"делия после нагрева до температураустенизации стали резко переохлаждают в струях жидкости до 200-500 оС,подвергают скоростному нагреву до550-700 С без выдержки и последующему ускоренному охлаждению 2 3.Недостатками способа являются не возможность обработки достаточно массивных изделий из-эа значительногоградиента температур, возникающего посечению при резком струйном охлаждении; весьма низкие значения ударнойвязкости при отрицательных температурах; ограниченный сортамент сталей,которые можно обрабатывать по этомуспособу.Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ термической обработкиизделий, по которому охлаждение после нагрева до температур аустенити-зации осуществляют импульсным методомс расходом жидкости Мс 0,1 м/с м припродолжительности первого импульса,равной времени снижения температурывнутренних слоев или центра иэделияна 1, и продолжительности последующих импульсов, равной 0,.5-1,0 длительности предыдущего импульса при дли,тельности пауз между ними, равной969753 двум продолжительностям предыдущегоимпуль".а охлаждения. При таком охлаждении наружные слои изделия не закаливаются на мартенсит, а внутрейниеслои или центр изделия сохраняют заданный темп охлаждения, близкий к оптимальному 33.Недостатками известного способаявляются сравнительно невысокие значения ударной вязкости стали при отрицательных температурах, в особен,ности низкие значения составляющейударной вязкости, соответствующей работе развития трещины, а также довольно высокий температурный порог хладноломкости,Цель изобретения - получение в иэделиях наряду с высокими значениямипредела прочности и относительного удлинения повьпаенных значений ударнойвязкости при отрицательных температурах, в особенности составляющейударной вязкости, соответствующейработе развития трещины, существен-,ное повышение сопротивления металлахрупкому разрушению, значительноеснижение температурного порога хладноломкости, а также получение высокой однородности свойств по периметру и длине изделий, снижение производственных площадей и повышениепроизводительности процесса.Для достижения поставленной целисогласно способу термической обработки изделий, включающему индукционный нагрев и импульсное охлаждение,нагрев и импульсное охлаждение проводят циклически, при этом нагревосуществляют в интервале Ас -А с с3 чпостепенно снижающейся от цикла к циклу температурой согласно формуле(А Ас" ) ( - 1) где и - число циклов нагрева; 1 - порядковый номер цикла,а импульсное охлаждение производят до достижения температуры в центре иэделия в интервале М(М+175 С).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 АС . При очень мелком зерне избыточный феррит в доэвтектоидной стали может полностью исчезнуть при температурах, значительно меньших Ас для этой стали,В случае же многократного нагрева это превращение ускоряется еще больше, Установлено, что чем больше циклов нагрева претерпевает сталь, тем ниже может быть температура послед 5 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 него цикла (но не ниже А . 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 достаточно быстрый отвод тепла из всех слоев сечения, причем в наружных слоях образуется структура сорбита закалки, а во внутренних слоях или в центре изделия аустенит переохлаждается до температуры, близкой к началу мартенситного превращения, и при последующем нагреве также распадается с образованием тонкопластинчатого сорбита. В результате этого к достижению температуры Ас 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 полнее 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 Ас 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, меньшейАс -Ас А на величинугде сии - 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.Окончательное охлаждение изделияпроизводят в зависимости от требуемых свойств; последний импульс можетпродолжаться до полного остывания иэделия или после него производится выравнивание температуры по сечениюизделия и охлаждение его на воздухе,или после него производится дополнительный нагрев до температуры не выше Ас и полное охлаждение изделия,или, йаконец, нагрев до температуры 10выше Ас (до аустенитизации стали)и последующая закалка душем жидкостис обязательным нагревом под отпуск.На фиг. 1 -4 приведены графикизависимости температуры наружной Т 15и внутренней Тэ поверхностей трубс раэличнЬй толщиной стенки и изразличных марок стали от времени нагрева и охлаждения по предлагаемомуспособу. 20На фиг, 1 приведен график термической обработки трубы с толщиной стенки 10 мм и из стали Ас =850-870 СуМ=ЗОООС, по которому йзделие нагревант до температуры Ас =850-870 С,затем осуществляют импульсное рхлаждение до температуры внутренних слоев или центра изделия це ниже началамартенситного превращения МЗОООС,После этого производят ускоренныйнагрев изделия до температуры, меньшей А на величинугдеАс -Ассэ и ф)и - предполагаемое число циклов нагрева (в данном случае и=З), сновапроизводят импульсное охлаждение,и т.д. После третьего цикла, в зависимости от требуемых свойств производят окончательное охлаждение изделия. Например, производят дополнительный нагрев до температуры не выше Ас 40и затем полное охлаждение иэделиядушем малой интенсивности (кривые 1),при этом получают повышенные прочностные характеристики стали и несколько заниженные характеристики 45пластичности; или последний импульсможет продолжаться до полного остывания иэделия (кривые 2), при этомполучают повышенные характеристикипластичности и ударной вязкости инесколько пониженные значения прочности; или производят выравниваниетемпературы 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 толщинойстенки 10 мм и стали с Аэ=770-790 С, 60МсС. 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 ОС 65 М МС. Последовательность операций аналогична описанной для фиг. 1.На фиг, 4 изображен график термической обработки трубы с толщиной стенки 5 мм иэ стали с Ас =770-790 ОС иМ=280 С. Последовательность операцийаналогична описанной для фиг. 1.Экспериментально установлено, чтопри импульсном охлаждении наилучшиерезультаты од однородности. структурыи величине зерна по сечению иэделийдостигаются, если температура в центре нли на внутренней поверхностиизделий к моменту прекращения любогоэтапа импульсного охлаждения находится в пределах температур отМ + 175 С до М(как показано наФиг, 1 - 4). Охлаждение ниже Мн недопустимо, так как приводит к образованию мартенсита, резкому повышениюопасности возникновения трещин иухудшению свойств иэделий. Охлаждение до температур, превышающихМ+ 175 С, не обеспечивает получениенужной дисперсности структур передочередным циклом нагрева и в конечном итоге существенно снижает эффективность циклического нагрева и достижение тех целей, которые указаныв формуле изобретения.П р и м е р 1. Карты из стали17 Г 2 СФ, вырезанные из спиральношовныхтруб диаметром 1020 мм с толщинойстенки 10 мм, подвергают циклическому нагреву и импульсному охлаждениюпо режиму, приведенному на фиг. 1.После нагрева карт до 850-860 ОС(Ас для стали 17 Г 2 СФ) осуществляютпятйимпульсное одностороннее охлаждение душем малой интенсивности дотемпературы внутренней поверхностикарт около 500 С. При этом во внутренних слоях обеспечивается скоростьохлаждения около 40 град/с.Затем производится ускоренный индукционный нагрев до температурыТ=АС в ) в "д - ) )-1), гдЕ дг В 50 гдА=730 С; п = 3;= 2, т.е.120Т = 850- в= 810 ОС, со скоростью60-70 град/с, Далее - вновь пятиимпульсное охлаждение; третий нагрев дотемпературы Т. =850 -- - 2 =770 С,120 очетырехимпульсное охлаждение с последующим выравниванием температурына уровне 450 ОС и окончательнымохлаждением на воздухе (вариант 3,фигс 1). По всему сечению полученозерно 12-13 балла по ГОСТ 5639-65,Свойства металла труб:6 з =6570 кгс/мм;Йод=35-60 кгс/ьи;д =20-25; ае =12-15 кгс м/сма=4-6 кгс и/см ; НН=180-200 кгс/мм .969753 8 Формула изобретения Ь,икП Ыцикл Ши икл Юдй) 5 й 2 Х У уХ О Время ГСаиг./ примере, охлаждение позвопяют получить (на картах иэ стали 17 Г 2 СФ) зерно 13-14 балла и следующие свойства: бэ =70-75 кгс/мм;боем =62 67 кгс/мм ;ф 5 = 22-25;д "д =13 18 кгс м/см;арфо=5,5-8,0 кгс м/см 5 НЧ=190-210 кгс/ммР.П р и м е р 3, Пятицикловый нагрев и применение в качестве окончательной операции закалки от температуры Аи отпуска при 6)50 С позво ляют на картах иэ стали 17 Г 2 СФ получить следующие свойства: Ф =80 85 кгс/мм," бо =70-75 кгс/мм сР =18-22; д 40=8-12 кгс.м/см=5-7 кгс м/см ;НУ=230-270 кгс/мм.(5П р и м е р 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, 770 ОС, трехимпульсное охлаждение между циклами нагрева, нагрев до 730 С, закалка душем и от пуск при 600 ОС позволяют получить в патрубках зерно 10-11 балла и свойства:Ьз=70-75 кгс/ммй;оп:-60 65 кгс/мм; д =18-22; д-( 9 13 кгс м/см; НУ=220-260. кгс/мм. Чем больше углерода в стали, тем уже 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 составляющую, 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 1 о щ и й с я тем, что, с целью повышения ударной вязкости при сохранении прочности, нагрев и импульсное охлаждение проводят циклически, при этом нагрев осуществляют в интервале А -А с постепенно снижающей 1ся от цИкла к циклу температурой согласно Формуле где и - число циклов нагрева;(, - 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 - щ и й с я 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 У 459518, кл, С 21 0 1/00, 197. 2. Авторское свидетельство СССР 9 252380, кл. С 21 О 9/52, 1969. 3. Авторское свидетельство СССР Р 662598, кл. С 21 0 1/10, 1979.969753 Е икл йцикл Ыцикл И.б 00 6 6 20 Ж Уд 1 цикл Пцакл Шцикл го Брень 7,ЕХцикл ицикл Шиикл гО ггВремя T,Е 40 Фиг.4Редактор В. Заказ 8317/27 Тираж 587 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5