Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для термической обработки стальных изделий. Задачей изобретения является повышение срока службы деталей машин и инструмента, изготовленных из легированных, низколегированных и углеродистых сталей.

Известен способ термоциклической обработки низколегированных и углеродистых сталей (п. 2135605, RU), заключающийся в термоциклической обработке деталей, при котором нагрев производят до температуры гомогенизации аустенина со скоростью 3-5°C/мин, а охлаждение - со скоростью, обеспечивающей сорбитное, или мартенситное, или бейнитное превращение до температуры на 50-100°C ниже A_r1, или М_к, или Б_к. Недостатком этого способа является длительность процесса обработки стали, обусловленная медленным нагревом и необходимостью проведения большого количества циклов обработки, также невозможностью получения субмикронных и нанометрических структур.

Известен также способ термоциклической обработки стальных деталей (п. 2024627, RU), суть которого: стальную деталь нагревают 3…4 раза до температур выше A_c1 со скоростью 150…180°C/мин и охлаждают. Причем в промежутках между нагревами охлаждают на воздухе, а в последнем цикле до 650…630°C на воздухе, далее в масле с температурой 80…90°C. Недостатком этого способа является невозможность получения субмикронных и нанометрических структур.

Известен также способ термоциклической обработки инструментальной стали (п. 2131469, RU), заключающийся в многократном нагреве образцов выше A_C1 на 130-170°C со скоростью 6-35 град/с, охлаждение в цикле ниже A_C1 проводят в расплаве солей до температуры 680-750°C с выдержкой при этой температуре 3-9 мин, охлаждение в масле после нагрева в последнем цикле с последующим отпуском ведут при температуре 200-400°C. Недостатками этого способа являются необходимость использования токсичного расплава солей, невозможность получения субмикронных и нанометрических структур.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является способ высокотемпературной термоциклической обработки (циклическая электротермическая обработка), заключающийся в электронагреве со скоростью около 50°C/с до температуры полной аустенизации, охлаждении со скоростью 30-50°C/с до температуры 420-450°C, отвечающий температуре наиболее быстрого изотермического распада аустенита и выдержке его при этой температуре. По окончании выдержки циклы повторяют, в последнем термоцикле осуществляют закалку из аустенитного состояния (Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. - Л.: Машиностроение, 1989, с. 27).

Недостатки данного способа:

- для получения особо мелкодисперсной структуры стали требуется многократное повторение циклов, т.к. при изотермическом распаде аустенита получаются перлитные зерна, имеющие наследственно большие размеры (измельчение происходит только за счет фазового наклепа);

- невозможно получение субмикронной-нанокристаллической структуры, т.к. используется в термоциклах временная выдержка, приводящая к росту зерен.

Сущность способа термоциклической обработки сталей заключается в выполнении двух и более чередующихся циклов нагрева и охлаждения, каждый из которых включает следующие операции: нагрев под закалку со скоростью выше 50°C/с до температуры, обеспечивающей гомогенизацию аустенита, охлаждения со скоростью, обеспечивающей мартенситное превращение и отпуск с нагревом со скоростью выше 50°C/с до температуры, обеспечивающей повышение дисперсности структуры, но ниже температуры A_c1, причем каждую операцию нагрева завершают без временной выдержки перед охлаждением, а последующие циклы начинаются с нагрева под закалку до температуры ниже, чем в предыдущем цикле, и завершаются отпуском.

Каждый последующий цикл подобен предыдущему. Отличием является снижение максимальной температуры импульсного нагрева под закалку. Это связано с повышением дисперсности структуры стали после предыдущего цикла и, следовательно, более быстрой гомогенизацией аустенита.

При выполнении последнего цикла последней операцией является отпуск, обеспечивающий заданные структуру и свойства стали - дисперсность зеренной структуры и твердость.

Количество циклов определяется требуемыми конечными свойствами стали.

Сущность происходящих процессов заключается в том, что при первом импульсном нагреве до высоких температур происходит гомогенизация аустенита, а высокая скорость нагрева и охлаждения препятствует росту аустенитного зерна. В первом цикле после закалки образуется, как правило, крупнозернистая структура - реечный или игольчатый мартенсит. Кратковременный нагрев под отпуск обеспечивает образование на месте мартенситных зерен, трооститной или сорбитной структуры, размеры зерна которой меньше исходных зерен до начала обработки. Измельчение исходной зеренной структуры обусловлено образованием на месте исходного зерна множества центров роста новых фаз, рост которых прекращается при охлаждении без выдержки, что приводит к значительному измельчению структуры. Кратковременность нагрева при отпуске препятствует росту перлитных зерен.

Технический результат использования импульсного нагрева значительно сокращает время термической обработки. Даже после однократного выполнения 4-х описанных выше операций существенно измельчается структура стали вплоть до субмикронной величины, что позволяет повысить эксплуатационные характеристики изделий - износостойкость, твердость, ударную вязкость, коррозионную стойкость.

Пример

Первый цикл:

Изделие из пружинной стали 65Г нагревается токами высокой частоты (ТВЧ) до температуры примерно 1300°C со скоростью 70°C/с, и сразу после окончания нагрева без временной выдержки производится закалка в масле. Далее производится отпуск-нагрев ТВЧ до температуры 450-480°C со скоростью 50-70°C/с на той же установке и охлаждение со скоростью, препятствующей росту перлитных зерен (в масле, в воде или на воздухе).

Второй цикл:

Изделие нагревается до температуры примерно 1100°C со скоростью 70°C/с, и сразу после окончания нагрева без временной выдержки производится закалка в масле. Далее производится отпуск-нагрев ТВЧ до температуры 420-450°C со скоростью 50-70°C/с на той же установке и охлаждение со скоростью, препятствующей росту перлитных зерен (в масле, в воде или на воздухе).

Если первые два цикла не обеспечивают требуемые свойства стали, то выполняется дополнительно один или более циклов по тому же принципу с последующим снижением температуры закалки.

В последнем цикле температура и длительность отпуска выбираются из условия требуемой конечной структуры и свойств стали. Как правило, получается бесструктурный мартенсит отпуска (зеренная структура не выявляется с использованием оптических микроскопов - размер зерна менее микрона), троосто-мартенсит или особо мелкодисперсная трооститная структура в зависимости от температуры и временной выдержки.