Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ ФЕРРИТОПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к технологии термической обработки поковок, предназначенных для изготовления деталей и узлов, работающих при низких температурах, например, контейнеров для перевозки отработавшего ядерного топлива.

Известны способы термической обработки поковок из сталей перлитного класса, позволяющие снизить в них внутренние напряжения и повысить вязкопластические свойства (Гуляев А.П. «Металловедение», М. изд-во «Металлургия», 1977 г., стр.275-281).

Известен способ термической обработки низкоуглеродистых сталей, состоящий из отжига или нормализации, который позволяет снизить внутренние напряжения и повысить хладостойкость.

Согласно известному способу поковки нагревают до температуры выше точки А_с3, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают с печью или на воздухе. Недостатком этого способа является выделение из аустенита в процессе охлаждения ферритоперлитной смеси с пластинчатой формой цементита и предвыделений третичного цементита, которые приводят к охрупчиванию стали при низкой температуре. (В.Г.Сорокин, А.В.Волосников и др. «Марочник сталей и сплавов», Москва, изд-во «Машиностроение», 1989 г.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ термической обработки низкоуглеродистых сталей, включающий закалку с температурой 840-870°С, охлаждение в воде, высокий отпуск при температуре 620-670°С с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. (Ю.П.Солнцев, Т.И.Титова, Книга «Стали для Севера и Сибири», Санкт-Петербург, Химиздат, 2002 г., стр.306-307).

Недостатком известного способа, как установлено исследованиями, является недостаточная хладостойкость низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей за счет возникновения в них зон предвыделений третичного цементита при охлаждении после отпуска.

Техническим результатом изобретения является повышение хладостойкости низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей.

Поставленный технический эффект достигается за счет того, что в способе термической обработки полуфабрикатов из низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей, включающем закалку с температуры выше критической точки А_с3, последующий высокий отпуск в диапазоне температур 620-670°С, с охлаждением на воздухе, согласно изобретению, после высокого отпуска проводят дополнительный отпуск в диапазоне температур 400-450°С с выдержкой 3-3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Как установлено исследованиями, нагрев под закалку до температуры 930÷20°С вызван необходимостью растворения в аустените карбидов и нитридов ванадия и ниобия, повторный нагрев при отпуске до температуры 400-450°С необходим для коагуляции третичного цементита. Известно, что после закалки и высокого отпуска низкоуглеродистые ферритоперлитные стали приобретают сорбитную структуру, т.е. ферритоцементитную смесь, где цементит имеет округлую форму.

Однако высокий отпуск в диапазоне температур 620-670°С с охлаждением на воздухе приводит к образованию в стали участков с предвыделениями третичного цементита, что резко снижает хладостойкость стали. Вызвано это тем, что предвыделения третичного цементита имеют параметры решетки, отличные от матрицы, и в последней создают растянуто-сжатые области, что приводит к возникновению напряжений 2 рода, которые снижают хладостойкость стали.

В процессе проведенных исследований с помощью программы Image Expert Professional проведен количественный анализ структурно-фазового состояния исследуемых сталей, количественное определение относительной доли структурных составляющих и определение количественного содержания фаз, входящих в состав исследуемого образца, было установлено, что выделение третичного цементита происходит после дополнительного отпуска при температуре 350°С, а коагуляция его происходит при температуре 400-450°С (таблица 2).

Время выдержки при температуре 400-450°С, равное 3-3,5 ч, необходимо и достаточно для завершения процесса коагуляции третичного цементита.

Установлено также, что при температуре отпуска 350°С происходит охрупчивание стали из-за предвыделений и мелких включений третичного цементита.

Повышение температуры выше 450°С приводит к растворению третичного цементита и при последующем охлаждении - к образованию его предвыделений, а снижение температуры ниже 400°С сразу приводит к образованию предвыделений и мелких цементитных включений и, как следствие, в одном и другом случае имеет место охрупчивание стали.

Пример выполнения заявленного способа.

На металлургическом заводе ОАО «ОМЗ-Спецсталь» была выплавлена низкоуглеродистая ферритоперлитная сталь марки 09Г2СА-А, химический состав которой приведен в таблице 1.

Из этой стали была изготовлена крупногабаритная поковка размером ⌀1000×900 мм. Из поковки были вырезаны заготовки размером 20×20×60 мм, которые были подвергнуты закалке с температуры 930÷20°С в воде и высокому отпуску при температуре 620, 670 и 650°С с выдержкой в течение 2,5 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Затем заготовки после основной термической обработки подвергли дополнительному отпуску при температуре 350, 400, 450 и 500°С с выдержкой 3,0 и 3,5 ч.

Из этих заготовок были изготовлены ударные образцы «Шарпи» с острым надрезом и испытаны при температуре -60°С по ГОСТ 9454. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Как видно из полученных результатов образцы, обработанные по предлагаемому способу, имеют более высокие значения хладостойкости по сравнению с образцами, термообработанные по известному способу.

Ожидаемый технико-экономический эффект по сравнению с прототипом выразится в возможности создания новых изделий специальной техники повышенной надежности и долговечности из экономнолегированной низкоуглеродистой ферритоперлитной стали за счет повышения ее хладостойкости.