Способ термической обработки заготовок

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ Союз Соеетскик Социалистических республик(22) Заявлено 080879 (21) 2810641/22-02с присоединением заявки йф(51)М. Кл.З С 21 0 1/78 Государственный комитет СССР ио дедам изобретений н открытий(53) УДК 621.785.01(088,8) Дата опубликования описания 15.09.81(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОИ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК Изобретение относится к термической обработке металлов и сплавов и может быть использованопреимущественно для термической обработки деталей из конструкционных марок сталей.Известен способ термической обработки конструкционных углеродистых сталей для.повышения их ударной вязкости, по которому сталь многократно (4-6 раз) нагревают до температур в межкритической области (А-АСфсразличными скоростями от 50 до 150 ОС/мин .подстуживают до температур на 30- 60 С ниже Аг. Способ обеспечивает получение высоких-.значений ударной вязкости 1,11 .Однако этот способ характеризуется невозможностью охлаждения стали на мартенсит.Известен способ термической обработки, согласно которому для повышения ударной вязкости углеродистую сталь многократно (5-10 раз) нагревают выше Ас на.30-50 С со скоростьюо70-150 С/мин с последующим многократным (3-10-15 раз) воздействием на металл изменением температуры при нагревах и охлаждениях. Нагрев ведут со скоростью 50-150 С/мин, а затемо охлаждают на воздухе до температурына 30-50 С ниже А , например до 590 оф610 С. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры проводят в водеили масле. В результате примененияэтого способа существенно возрастает пластичность и вязкость сталей 23 .Технология термоциклической обработки по данному способу недостаточно полно обеспечивает прогрев заготовок иэ-за отсутствия выдержек, чтосказывается на стабильности свойствпо сечению и способствует усилениюаниэотропии. Поэтому известный спо соб обеспечивает требуемый уровеньмеханических свойств только на малых размерах сечений заготовок. Кроме того, этот способ иэ-эа отсутствия выдержек ие обеспечивает однород ности аустенита в тех объемах, которые претерпели А -Х превращение,Известен также способ термической обработки заготовок,преимущественно из конструкционных сталей,включающий закалку, термоциклированиев интервале температур между Ас- АС 3и АС изотермическими выдержками при верхней и нижней температурах и последующее ускоренное охлаж 301 дение (31.Недостатком этого способа является то, что постоянная температуранагрева например 740 С, при многократных циклах в интервале Ас -А, неС 1 ВЗсоздает теплового импульса для ускоренного прогрева удаленных от поверхности зон заготовки, Поэтому превра 5щение феррито-цементитной смеси (илимартенсита) в,аустенит не отличаетсяускоренно нарастающим характером отповерхности к центру изделия и нагрев практически в каждом цикле протекает с одинаковой скоростью. Одина;ковые продолжительности выдержки(например при 740 С - 60 мин) способствуют получению разной величины зерен аустенита и в конечном счете разнозернистости продуктов его распадапри последующем охлаждении. Подстуживание в интервале температур А -о600 С с изотермической выдержкой напоРример 640 С,. также не обеспечивает ,20нарастающего характера превращенияаустенита в продукты его распада, таккак охлаждение в этом случае протекает после каждого цикла практическис одинаковой скоростью. Наряду с 25обеспечением по известному способу высоких значений ударной вязкости,после увеличения числа циклов за счетобразования мелкодисперсной смеси феррита и цементита, значения предела те-ЗОкучести остаются неизменными.Цель изобретения - улучшение механических свойств, в частности предела текучести,Поставленная цель достигается тем,что согласно способу термической обработки заготовок, преимущественноиз конструкционных сталей, включающему закалку, термоциклирование в интервале температур между Ас -Асио1Аг - 600 С с изотермическими выдерж Оками при верхней и нижней температурах и последующее ускоренное охлаждение, последнее в каждом последующемцикле ведут с нарастающей вдвое скоростью, при этом продолжительность 4изотермической выдержки каждого последующего цикла при нагреве в 2 разауменьшают, а при охлаждении в 2 разаувеличивают по сравнению с предыдущим, ЯТермоциклирование проводят неменее трех раз,при этом в первом цикле охлаждение ведут со скоростью 1015 ОС/мин, во втором - 20-30 Сумин,а третьем - 40-60 С/мин.35Пример осуществлен и я с п о с о б .а. Проведенопо 5 режимов термической обработки заготовок диаметром 30 мм,изготовленных иэ углеродистой стали45 (А 0- 730 С, А;- 690 С, Асз 46785 Й ) и ниэколегированной стали4 ОХ (Ао С, А - 693 С, Ас -815 С), Каждый из пяти режимов отличается друг от друга количеством циклов, подбираемых для установления оп тимального варианта, Число циклов в каждом режиме указано в табл.2.После полной закалки заготовок от температуры Ас +30-50 С режимы терЪмической обработки с термоциклированием проводят следующим образом.Нагрев осуществляют в нескольких электропечах сопротивления типа ИП 2 У, Каждая печь разогрета до заданных температур одного из циклов и посадка заготовок в печи осуществляется на эти заданные температуры. Это обеспечивает ускорение нагрева заготовок и удобство проведения термической обработки, так как печи установлены в динию в порядке возрастающих температур нагрева в каждом очередном цикле режима, Скорости охлаждения подбирают путем подбора интенсивности обдува воздухом, его увлажнением и т.д. Средства охлаждения расположены рядом.На чертеже приведен режим термообработки.В табл.1 приведены режимы термической обработки и уровень механических свойств, предлагаемых и известного способов. Для сопоставления анализа проводится термическая обработка по предлагаемому и известному способам.Результаты сравнительных исследований приведены в табл,1.Температуры нагрева, охлаждения и продолжительность выдержек фиксируют с помошью хромель-алюмелевых термопар, зачеканенных в заготовки- свидетели, и электронного потенциометра типа ПСРЭ(т).По предлагаемому способу приведенная термическая обработка заготовок с одним и двумя циклами (режим 1 и 2) не обеспечивает благоприятного сочетания прочностных и вязких свойств. Первые по своим значениям близки к известному.Лучшее сочетание свойств обеспечивает режим термической обработки с тремя циклами (табл.1, режим 3 и фиг.1), который является оптимальным для сталей 45 и 40 Х. Согласно ему заготовки нагревают до температуры А+ +10 С, выдерживают при этой темпераотуре 3 60 мин, затем их охлаждают со скоростью 12 С/мин до температур ниже А 1-, т.е, до температур завершения распада аустенита с выдержкой при этой температуре 510 мин, Затем во втором цикле снова нагревают, но до температуры АС +20 С, выдерживают при этой температуре 5 30 мин, после чего охлаждают со скоростью 25 С/мин ниже А,с изотермической выдержкой в два раза большей (25 20 мин), чем в предыдущем цикле, где 5 - выдержка в первом цикле при нагреве; 5 - при охлаждении. В третьем цикле вновь нагревают до температуры уже на 40 С выше Ас,выдерживают при этой температуре 515 мин и дальше охлаждают со скоростью 50 С/мин.Для установления оптимальной скорости охлаждения в серии циклов каждого режима варьируют скоростями охлаждения и длительностью выдержек,Скорости охлаждения, обеспечивающиеболее высокие значения предела тефкучести и наилучшее сочетание другиххарактеристик для стали 45 приведены в табл,2 (данные только для оптимального режима с тремя циклами,см,фиг.1),Данные табл.1 и 2 показывают, чтоскорости охлаждения в первом цикле10-15, во втором 20-30, в. третьем1540-60 ОС/мин в сочетании с укаэайными выдержками в режиме Р 3 (см.табл.1) обеспечивают наиболее высокиезначения предела текучести и другиххарактеристик. Применение меньших 20скоростей охлаждения приводит к изменению (снижению, см. табл.2) предела текучести до 7 и ударной вязкостидо 12 в сравнении с оптимальным вариантом. При увеличении скорости охлаждения против оптимальной измененийв уровне характеристик практическине отмечено. Что же касается выдержек, то их изменение в сравнении соптимальными (режим 3, табл.1), т.е.изменение их кратности 4:1, 3:1,1:1 при нагреве и 1:1, 1:3, 1:4 приохлаждении привело к снижению всеххарактеристик на 6-8.1После проведения режимов термической обработки по предлагаемому и. известному способам иэ заготовокизготовлены разрывные и ударные образцы для механических испытаний.Из данных табл.1 видно, что с увеличением количества циклов до трехоптимальный режим) предел текучестивозрастает по сравнению с известнымдо своего максимального значения исоставляет, например для стали 45,около 48 кгс/мм при одновременномдостаточно высоком уровне всех остальных характеристик. Дальнейшее увеличение числа циклов (табл.1, режим4 и 5) не приводит практически к изменению предела текучести и другиххарактеристик. По предлагаемому способу рост предеЛа текучести составляет 10-12 при полосе разброса уровня свойств, не превышающей 2-3. Из табл.1 также видно,что с возрастанием количества циклов (до, трехчетырех) комплекс механических свойствсталей 45 и 40 Х постепенно повышается, кроме предела прочности(дэ, который практически остается неизменным.Повышение предела текучести в сочетании с высокими значениями пластических (б" и ) и вязких характеристик(йн) обеспечивает повышение конструктивной прочности деталей машин, работающих в условиях знакопеременныхи динамических нагрузок. Благоприятноесочетание указанных характеристик, полученных по предлагаемому способу,позволяет применять эти режимы длядеталей машин турбостроения и работающих в условиях отрицательных температур Крайнего Севера (например экс 1 каваторы, буровые установки, шахтное оборудование и др.)Таким образом, экспериментальнымпутем установлено, что оптимальныезначения интервала нарастающих скоростей охлаждения каждого последующего цикла перед предыдущим кратнодвум, а выдержек с соотношением принагреве 2:1 и при охлаждении 1:2.По предлагаемому способу оптимальным числом циклов в режиме является режим термическойобработки стремя циклами (режим 3, табл,1).Такой режим обеспечивает наилучшее. сочетание прочностных, пластических ивязких характеристик механическихсвойств.Использование предлагаемого способа в сравнении с известным даетследующие преимущества:при обеспечении высокого уровняхарактеристик механических свойствсталей типа 45 и 40 Х предел текучести их повышается на 10-12;получение практически одинаковыхмеханических свойств при повышенномуровне предела текучести обеспечивается за меньшее количество циклов;за счет кратности параметров тех-.нологического процесса облегчается.управление режимами термической обработки, создаются условия для организации поточного производства;предлагаемый способ применим длясамой широкой номенклатуры деталей,изготовляемых из конструкционных сталей, и может быть осуществлен на любом машиностроительном или ином заводе,О 1 11 х Х 1 1 1оо 311 1 1 1Ф 1с 01 ОЪ7О О 1 Л О О й щ О О 1 Л щ. ОЪ 10 М т М ч- Ю М г. сМэ1 О, О О О О О О О О О О О с 3 ф й Гщ сР й Гщ ф сР Ощ СО ф м щм ръ1 С хе хах о ь О О аф 3 СЧ ЭОф ЭЕЭбДЕН 1эбАхабэиэ,т1 а а а а а а О ю О сО а ю сО йСфс Сс Сс Сфс а а а о оа а ф в о 11 сф 11гсдоЦч сч м с а х 1 91 1 1-ОООО АИОИЭЭД 1 1-вы 1 эб о во-и оаоэъиоУ Фиижэя о о о о И о Х 1 Е 1 Ж 1 Ц оа д 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Р 3о 1 1 Х211 1 М 1 а 1 р 3 1 1 1 1 1оХо О О О О О О О О Ов. г СЧ .С Ю У Ч СЧ Ф ф О О О О О О О О О О СО ф Р ф У (Ч ф Ф РД "н дИ ХХ сОноФЯХ 1 М с СО СО 1 1 1 1 О 1 с а 1 С863674 12 Таблица 2 Скорости охлаждения, С/мин, в циклах Снижения 6,кгс/мм 1 ан,к гсм/см 1 первом втором третьем 8-12 2-5 5-10 10-20 20-30 30-40, 40-50 10-20 20"40 40-60 60-80 80-100 6.-7 5-10 10-15 15"20 20-25 4-5 То же Формула изобретения реве.в 2 раза уменьшают, а при охлаждений в 2 раза увеличивают посравнению с предыдущим,2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что термоциклированиепроводят 3 раза, при этом в первомцикле охлаждение ведут со скоростью10 - 15 С/Йнн, во втором 20-30 фС/мин,25 в третьем 40-60 С/мин.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1 Авторское свидетельство СССР9 459518, кл. С 21 О 1/00, 1971,30 2. Авторское свидетельство СССРМ 40424, кл. С 21 О 1/00, 1970.3. Авторское свидетельство СССРМ 583185, кл. С 21 О 1/78, 1977,4 с +Ц-О С 40 Тираж 621 Подписноег. Ужгород, ул. Проектная,ИИПИ Заказ 7705 ППП"Пате 1. Способ термической обработки заготовок, преимущественно из конструкционных сталей, включающий закалку; термоциклирование в интервале температур между А - Аси Аг - 600 С с изотермическимй выдержками при верхней и нижней температурах и последующее ускоренное охлаждение, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения предела текучести, охлаждение в каждом последующем цикле ведут с нарастающей вдвое скоростью, при этом продолжительность изотермической выдержки каждого последующего цикла при нагОптимальный режимСнижения не отмечено