Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ

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

Известен способ высокотемпературной термоциклической обработки (циклическая электротермическая обработка), заключающийся в электронагреве со скоростью около 50 К/с до температуры полной аустенизации, охлаждении со скоростью 30-50 К/с до температуры 420-450°С, 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.

Наиболее близким решением является способ термоциклической обработки стальных изделий (№2594925), отличающийся тем, что он включает по меньшей мере два цикла нагрева под закалку со скоростью выше 50°С/с до температуры гомогенизации аустенита без выдержки, охлаждения со скоростью, обеспечивающей мартенситное превращение, и отпуск с нагревом со скоростью выше 50°С/с до температуры ниже A_c1 с получением мелкодисперсной структуры стального изделия, причем в каждом последующем цикле нагрев под закалку проводят до температуры ниже, чем в предыдущем.

Недостатком данного способа является импульсный нагрев без выдержки в первом цикле. Как правило, импульсный нагрев предназначен для формирования поверхностных слоев. Для изделий, толщина которых превосходит зону термического влияния, часто необходима термическая обработка внутренних объемов для придания требуемой прочности всего изделия.

Сущность изобретения заключается в выполнении по меньшей мере двух циклов нагрева под закалку до температуры гомогенизации аустенита и охлаждения со скоростью, обеспечивающей мартенситное превращение, и отпуск с нагревом со скоростью выше 50°С/сек до температуры не выше Ac1, согласно изобретению в первом цикле нагрев осуществляется до температуры аустенизации с выдержкой до полной гомогенизации аустенита, во втором и последующих циклах осуществляется высокоскоростной нагрев под закалку со скоростью 50°С/сек без выдержки до температуры, обеспечивающей гомогенизацию аустенита, температура отпуска в каждом последующем цикле ниже, чем предыдущем.

Первый цикл:

- нагрев до температуры выше А_с3, но ниже температуры солидуса (плавления стали);

- временная выдержка при этой температуре до полной гомогенизации аустенита во всем объеме изделия;

- охлаждение в среде, обеспечивающей мартенситное превращение;

- кратковременный нагрев стали до температуры ниже А_c1, обеспечивающий распад мартенсита (первый отпуск);

Второй цикл:

- высокоскоростной импульсный нагрев стали со скоростью не ниже 50 К/с до температуры полной гомогенизации аустенита (значительно выше А_c3), но ниже температуры солидуса (плавления стали), причем температура нагрева тем выше, чем выше скорость нагрева;

- после окончания нагрева - охлаждение в среде или охлаждение за счет отвода тепла во внутренние слои металла, обеспечивающее мартенситное превращение;

- кратковременный нагрев стали до температуры ниже температуры нагрева при первом отпуске в первом цикле, обеспечивающий распад мартенсита (второй отпуск).

Следующий цикл подобен предыдущему. Отличием является снижение температуры предыдущего импульсного нагрева под закалку. Это связано с повышением дисперсности структуры стали после предыдущего цикла, что требует меньше времени гомогенизации аустенита. Снижение температуры отпуска во втором и последующих циклах также связано с увеличением дисперсности структуры и направлено на получение высокой твердости и дисперсности стали. Например, в первом цикле максимальная температура отпуска стали соответствует температуре высокого отпуска, во втором - среднего отпуска, а в третьем - низкого отпуска.

Таким образом, в первом цикле после закалки получается крупнозернистая структура, как правило, реечный или игольчатый мартенсит, который после высокого отпуска распадается с образованием троосто-сорбитной структуры.

При выполнении последнего цикла последней операцией является отпуск, обеспечивающий заданные структуру и свойства стали.

Количество циклов определяется требуемыми конечными свойствами стали.

Сущность происходящих процессов при импульсном нагреве заключается в том, что при нагреве до высоких температур происходит гомогенизация аустенита, а высокая скорость нагрева и охлаждения препятствует росту аустенитного зерна. Кратковременный нагрев под отпуск обеспечивает образование на месте мартенситных зерен, трооститной или сорбитной структуры, размеры зерна которой меньше исходных. Измельчение исходной структуры обусловлено образованием на месте исходного зерна множества центров роста новых зерен, рост которых прекращается при охлаждении без выдержки, что приводит к значительному измельчению структуры. Кратковременность нагрева при отпуске уменьшает внутренние напряжения, приводит к распаду аустенита остаточного и препятствует росту перлитных зерен.

Использование импульсного нагрева значительно сокращает время термической обработки. При выполнении описанных выше операций существенно повышается дисперсность структуры стали вплоть до субмикронной величины. После последнего отпуска, как правило, образуется «бесструктурный» мартенсит.

Пример

Первый цикл:

Вал диаметром 50 мм из ст45 нагревается в печи до температуры 850°С, выдерживается в течение 1 часа. Закалка производится в воде. Температура отпуска - 400°С, время отпуска - 1 час. Охлаждение на воздухе.

Второй цикл:

Изделие нагревается до температуры примерно 1100°С со скоростью 70°С/с и сразу после окончания нагрева без временной выдержки производится закалка в воде. Далее производится отпуск - нагрев ТВЧ до температуры 400-420°С со скоростью 50-70°С/с и охлаждение со скоростью, препятствующей росту перлитных зерен (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 и отпуска.

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.