Способ термической обработки высокоуглеродистой стали

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Крылов-Олефиренко Виктор Васильевич Абакумов Владимир Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(56) ГОРДИЕНКО А.И. и др. Современные методы и технологии создания и обработки материалов Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию ФТИ НАНБ. - Минск, 2006. - С. 259-265.2238338 1, 2004.0132252 1, 1985.2137563 1, 1999.87/02067 1.2063452 1, 1996.2255988 1, 2005.(57) Способ термической обработки высокоуглеродистой стали, включающий нагрев до температуры 1, равной 220-320 С, со скоростью 350-450 С/с, нагрев от 1 до температуры 2, равной 400-525 С, со скоростью 55-65 С/с, изотермическую выдержку при 2 в течение 2-4 с, охлаждение до температуры 340-360 С со скоростью 20-50 С/с и охлаждение в воде. Предлагаемый способ относится к области металлургии, в частности к термической обработке деформированных полуфабрикатов и изделий. После пластической деформации, особенно с большими степенями, металл становится хрупким и характеризуется малыми значениями пластических свойств. Для их восстановления требуется проводить разупрочняющую термическую обработку, обеспечивающую дальнейшую способность металлов воспринимать нагрузку без разрушения. Известны несколько видов разупрочняющей термообработки, отличающихся по характеру используемых структурных и/или фазовых превращений. Одним из них является рекристаллизационный отжиг, при котором развиваются процессы удаления образовавшихся при деформации дефектов кристаллической решетки без изменения фазового состава сплава. Другим - отжиг, при котором нагрев осуществляется до температур, при которых имеет место фазовое превращение, изменяющее как зеренное строение металла,так и его фазовый состав. Наиболее простым и наименее энергоемким отжигом является низкотемпературный дорекристаллизационный отжиг. В ряде случаев достигаемые в ре 15977 1 2012.06.30 зультате проведения этого отжига пластические характеристики оказываются достаточными для практических целей. Известен способ низкотемпературной термической обработки с нагревом в печи до температур от 100 до 650 С и выдержкой при этих температурах в течение нескольких часов. Таким способом проводилась термообработка нержавеющей стали 11810 1,но при этом происходило не разупрочнение стали, а ее упрочнение с некоторым увеличением относительной деформации (от 4 до 7 ). Недостатком этого способа является большая длительность. Известен также способ скоростного дорекристаллизационного отжига. Проводился нагрев индукционным способом армко-железа со скоростями 30 и 300 С/с до температур от 100 С до 500 С 2. Изотермическая выдержка не проводилась. Использовались образцы со степенями деформации 10 и 30 . Было установлено наличие разупрочнения армко-железа в процессе термообработки. Недостатком этого способа является отсутствие строгого контроля температуры при нагреве и то, что он относится к небольшим степеням деформации. Кроме того, отсутствуют параметры, характеризующие режим охлаждения. Известен способ скоростного дорекристаллизационного отжига 3, при котором нагрев осуществляется с постоянной скоростью 400 С/с до температур 425-550 С без изотермической выдержки при этих температурах с последующим охлаждением в воде. В результате было получено повышение относительного удлинения от 1-2 до 4-6 . Недостатком этого способа является то, что скорость нагрева должна быть постоянной во всем температурном интервале нагрева, что сложно осуществлять в реальных нагревательных печах или устройствах. Всегда имеет место замедление скорости нагрева с повышением температуры. Наиболее близким по технической сути является способ разупрочняющей термической обработки высокоуглеродистой стали после волочения с большими степенями пластической деформации 3. Он осуществляется посредством нагрева со скоростью 400 С/с до промежуточной температуры 1220-320 С, последующего нагрева со скоростью 60 С/с от 1 до 2400-525 С, изотермической выдержки 3 с при температуре 2 и охлаждения в воде. Этот способ обеспечивает повышение относительного удлинения до 58 . Недостатком этого способа является возможное охрупчивание стали при ряде температур замедления скорости нагрева. Хотя в 3 приводятся точные значения скоростей нагрева до 1 400 С/с и от 1 до Т 2 60 С/с, здесь указываются интервалы значений скоростей. Причиной этого является невозможность многократного воспроизведения с точностью до 1 С/с указанных значений. Задачей предлагаемого способа является исключение охрупчивания высокоуглеродистой стали и обеспечение достаточно высокого уровня прочностных свойств. Поставленная задача решается тем, что в способе термической обработки высокоуглеродистой стали, включающем нагрев до температуры Т 1, равной 220-320 С, со скоростью 350-450 С/с, нагрев от 1 до температуры 2, равной 400-525 С, со скоростью 55-65 С/с,изотермическую выдержку при 2 в течение 2-4 с, охлаждение до температуры 340-360 С проводят со скоростью 20-50 С/с с последующим охлаждением в воде. Сущностью заявляемого технического решения является стимулирование выделения мелкодисперсных фаз в процессе охлаждения, что позволяет уменьшить уровень внутренних напряжений и исключить возможность охрупчивания высокоуглеродистой стали после такой термообработки. Объяснением положительных результатов, получаемых при реализации данного способа, может служить то, что при регулируемом охлаждении происходит управление скоростью и распределением выделения мелкодисперсных углеродсодержащих фаз. При этом на получаемые прочностные характеристики такой режим охлаждения в заявляемом интервале температур практически не влияет. 2 15977 1 2012.06.30 Минимальная скорость охлаждения (20 С/с) обеспечивает максимально требуемое количество выделений. Дальнейшее снижение скорости приводит к увеличению размера частиц выделяющихся фаз и существенному снижению прочности. При скорости 50 С/с количество выделений является минимальным для исключения возможности охрупчивания. Использование скорости охлаждения больше 50 С/с может подавлять (не обеспечивать достаточно времени) выделение этих фаз. Температура 340-360 С выбрана границей регулируемого охлаждения, поскольку, также как и при снижении скорости нагрева ниже 20 С/с, количество и морфология приводят к существенному снижению прочности. Прекращение предварительного охлаждения выше 360 С может не обеспечивать достаточного повышения пластичности. Охлаждение в воде осуществлялось с целью сокращения длительности термообработки и фиксации достигнутого состояния. Пример конкретной реализации способа. Предлагаемый способ низкотемпературного скоростного разупрочняющего отжига опробован на установке электроконтактного нагрева в условиях ГНУ Физикотехнический институт НАН Беларуси. Проволока из высокоуглеродистой стали 80 после волочения со степенью деформации 83 подвергалась нагреву со скоростью 400 С/с до температур 260 С, а затем со скоростью 60 С/с в интервале температур от 260 С до 450 С. При максимальной температуре нагрева осуществлялась изотермическая выдержка в течение 3 с, регулируемое охлаждение со скоростью 15, 20, 40, 50 и 70 С/с до температур 300, 340, 350, 360 и 400 С и охлаждение в воде после достижения этих температур. Проводились механические испытания образцов для определения прочностных и пластических свойств стали. Полученные результаты приведены в таблице. Скорость Температура Предел Относительное охлажде- предварительного прочноПримечание удлинение,ния, С/с охлаждения, С сти, МПа 15 350 1780 6 20 350 2009 7 40 350 2013 8 50 350 2018 7 70 350 2022 1,5 40 300 1760 5 40 340 2015 8 40 360 2020 7 40 400 2024 3 Приведенное значение является средним. Из десяти образцов один имел значение 0,7 , т.е. был практически охрупчен. прототип 2012 0,5 Почти хрупкое состояние Из приведенных данных видно, что применение регулируемого охлаждения со скоростями в интервале 20-50 С/с от 2450 С до 340-360 С обеспечивает устранение возможного охрупчивания по сравнению со способом-прототипом. Предлагаемый способ может использоваться для восстановления пластических свойств изделий из сильнодеформированной высокоуглеродистой стали, в частности в метизном производстве. 15977 1 2012.06.30 Источники информации 1. Гавранек В.В., Омельченко В.С. // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 1967. -1. 2. Бодяко М.Н., Астапчик С.А., Ярошевич Г.Б. Возврат-полигонизация. - Минск Наука и техника, 1970. 3. Гордиенко А.И. и др. Современные методы и технологии создания и обработки материалов Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию ФТИ НАН Б. - Минск, 2006. - С. 259-265. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4