способ термической обработки пружин из кремнистой стали

Формула изобретения

Способ термической обработки пружин из кремнистой стали, включающий изотермическую закалку с выдержкой и последующий отпуск, отличающийся тем, что изотермическую закалку с выдержкой ведут в две стадии, при этом на первой стадии изотермическую закалку выполняют от 900-920°С с выдержкой при 355-365°С в течение 5-7 мин, а на второй стадии изотермическую закалку выполняют от 830-840°С с выдержкой при 355-365°С в течение 12-15 мин, причем отпуск проводят при 200-220°С в воздушной среде в течение 40-50 мин или в печи с кипящим слоем в течение 20-30 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке пружин из кремнистой стали, и может быть использовано при изготовлении пружин, рессор и других упругих элементов в машиностроении.

Известен способ термической обработки пружин из кремнистой стали 60С2 путем изотермической закалки от 870°С с выдержкой 30 минут при 350°С (см. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1971, с.140).

Однако эксплутационная стойкость пружин, обработанных по этому способу, из-за высокой твердости (HRC 48-52) от повышенных температур закалки настолько мала, что при повторном нагружении пружины хрупко разрушаются в пределах 5-10 тысяч нагружений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ термической обработки пружин из кремнистой стали, включающий изотермическую закалку от 860-870°С с выдержкой при 350°С 30 минут и отпуск при 350°С в течение 30 минут на твердость HRC 44-48 (см. Апаев Б.А., Медянов С.А., Термическая обработка пружинных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1969. - №2. - С.2).

Основным недостатком данного способа термической обработки пружин из кремнистой стали является неудовлетворительная эксплуатационная стойкость пружин, обработанных по этому способу, вследствие низких значений вязкости и пластичности. Поэтому эксплуатационная стойкость пружины после такой термической обработки при испытании на повторный удар достигает всего 20-25 тысяч нагружений. Низкая вязкость и пластичность пружин объясняется тем, что в сталях типа 60 С2 при изотермической выдержке более 20 минут начинается выделение карбидов, при этом количество остаточного аустенита уменьшается, а ударная вязкость снижается (см. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971, с.137).

Изобретением решается задача повышения эксплуатационной стойкости пружин из кремнистой стали, обработанных предлагаемым образом, до 80-100 тысяч нагружений без разрушения при внезапной ударной нагрузке.

Для достижения этого технического результата в способе термической обработки пружин из кремнистой стали, включающем изотермическую закалку с выдержкой и последующий отпуск, изотермическую закалку с выдержкой ведут в две стадии. При этом на первой стадии изотермическую закалку выполняют от 900-920°С с выдержкой при 355-365°С в течение 5-7 минут, а на второй стадии изотермическую закалку выполняют от 830-840°С с выдержкой при 355-365°С в течение 12-15 минут. Отпуск проводят при 200-220°С в воздушной среде в течение 40-50 минут или в печи с кипящим слоем в течение 15-20 минут.

Повышение эксплуатационной стойкости пружин из кремнистой стали до 80-100 тысяч нагружений без разрушения при внезапном ударном нагружении обусловлено формированием при изотермической закалке бескарбидного (нижнего) бейнита со стабильным остаточным аустенитом, обеспечивающим высокий комплекс механических свойств стали. Кроме того, повышение эксплуатационной стойкости после изотермической закалки обусловлено присутствием в структуре остаточного аустенита, который при пластической деформации способствует релаксации микронапряжений, снижает пики напряжений на дефектах структуры и чувствительность к надрезу.

Повышение температуры закалки на первой стадии до 900-920°С предназначено для получения однородного аустенита за счет растворения нитридов, оксидов, сульфидов и устранения вторичной полосчатости.

Температура закалки меньше 900°С не обеспечивает однородности аустенита вследствие неполного растворения нитридов и сульфидов, что не устраняет появление вторичной полосчатости.

Нагрев под закалку выше 920°С сопровождается ростом зерна.

Выдержка в течение 5-7 минут при температуре ниже 355°С не обеспечивает получение неравновесной структуры, температура выше 365°С сопровождается образованием равновесной структуры.

Первая стадия изотермической закалки с выдержкой при 355-365°С 5-7 минут необходима как предварительная высокотемпературнопрерванная, то есть ступенчатая закалка, которая приводит к образованию несовершенств кристаллического строения и получению неравновесной структуры, способствующей сфероидизации карбидов при последующем нагреве под закалку.

Вторая стадия изотермической закалки предусматривает понижение температуры на 30-40°С, то есть до 830-840°С вместо 860-870°С у прототипа для изменения зерна, вследствие чего повышаются механические свойства кремнистой стали.

Температура нагрева меньше 830°С, несмотря на получение более мелкого зерна, не обеспечивает достаточное растворение углерода в аустените для обеспечения необходимой твердости после закалки.

Нагрев выше 840°С сопровождается ростом зерна и снижением комплекса механических свойств стали.

Обеспечение высокого комплекса механических свойств малоцикловой усталости и стойкости на повторный удар достигается выдержкой в течение 12-15 минут при 355-365°С с получением структуры бескарбидного (нижнего) бейнита со стабильным остаточным аустенитом, обогащенного углеродом без выделения карбидов (см. Калетин Ю.М. Легирование и термическая обработка сталей с бейнитной структурой// Металловедение и термическая обработка металлов. 1987. - №10. - С. 13-16).

Отпуск при 200-220°С необходим для снятия закалочных напряжений. Оптимальным он является потому, что при отпуске ниже 200°С происходит недостаточное снятие закалочных напряжений, а отпуск при температуре выше 220°С приводит к разупрочнению стали путем снижения твердости.

Во время отпуска в течение 40-50 минут протекают процессы релаксации термических и фазовых превращений, протекающих при закалке, способствующие повышению ударной вязкости. Однако, при выдержке меньше 40 минут ударная вязкость не превышает 1,3 кДж/м² вместо 1,4 кДж/м ². Время выдержки свыше 50 минут сопровождается коалесценцией карбидной фазы и снижением ударной вязкости.

Выполнение отпуска в печи с кипящим слоем в течение 20-30 минут, то есть в два раза менее продолжительным, чем в воздушной среде, является оптимальным, так как в печи с кипящим слоем снятие закалочных напряжений и стабилизация структурного состояния стали, вследствие интенсивного теплообмена, протекает быстрее. Кроме того, в кипящем слое соударение частиц кварцевого песка с пружиной сопровождается динамическим упрочнением.

Заявляемое изобретение поясняется таблицей, на которой представлены показатели механических свойств и эксплуатационной стойкости пластинчатых пружин из стали 60С2 после термической обработки по известным способам, выбранным в качестве аналога и прототипа, и по предлагаемому способу.

Способ термической обработки пружин из кремнистой стали осуществляется следующим образом. Сначала производят в две стадии изотермическую закалку пружин с выдержкой. На первой стадии изотермическую закалку пружин выполняют от 900-920°С с выдержкой при 355-365°С в течение 5-7 минут. На второй стадии изотермическую закалку выполняют от 830-840°С с выдержкой при 355-365°С в течение 12-15 минут. После этого проводят отпуск при 200-220°С в воздушной среде в течение 40-50 минут или в печи с кипящим слоем в течение 20-30 минут.

Пример конкретного выполнения предлагаемого способа.

На первой стадии изотермической закалки пластинчатые и U-образные пружины для мебельной петли из стали 60С2 нагревают в расплаве хлористых солей до температуры 900-920°С, выдерживают для равномерного прогрева “садки” и охлаждают в селитровой ванне при температуре 355-365°С в течение 5-7 минут.

На второй стадии изотермической закалки эти пружины вновь нагревают до температуры 830-840°С в расплаве хлористых солей, выдерживают при этой температуре 12-15 минут с дальнейшим охлаждением на воздухе (см. таблицу, пример 3).

Затем выполняют отпуск для снижения закалочных напряжений структурного состояния стали при температуре 200-220°С в воздушной среде в течение 40-50 минут или отпуск выполняют в печи с кипящим слоем в течение 20-30 минут, то есть в 2 раза меньше, так как в кипящем слое снятие закалочных напряжений и стабилизация структурного состояния стали, вследствие интенсивного теплообмена, протекает быстрее (см. таблицу, пример 4).

Для получения сравнительных данных параллельно проводят термическую обработку по известному способу термической обработки пружин из кремнистой стали 60С2 путем изотермической закалки от 870°С с выдержкой 30 минут при 350°С, выбранному в качестве аналога (см. таблицу, пример 1), и проводят термическую обработку в соответствии со способом термической обработки пружин из кремнистой стали, заключающимся в том, что пластинчатые U-образные пружины толщиной 0,6 мм из стали 60С2 в соответствии со способом-прототипом нагревают в расплаве хлористых солей до температуры 860-870°С, выдерживают до выравнивания температуры, выполняют изотермическую выдержку при 350°С в течение 30 минут, с охлаждением на воздухе, после чего осуществляют отпуск при 350°С в течение 30 минут (см. таблицу, пример 2).

Как следует из таблицы, эксплуатационная стойкость пружин из кремнистой стали после термической обработки в соответствии с заявляемым способом в 3-4 раза выше, чем эксплуатационная стойкость пружин из кремнистой стали после термической обработки в соответствии со способом, выбранным в качестве прототипа, и в 8-10 раз выше, чем эксплуатационная стойкость пружин из кремнистой стали после термической обработки в соответствии со способом, выбранным в качестве аналога.

Таким образом эксплуатационная стойкость пружин из кремнистой стали повышается до 80-100 тысяч нагружений без разрушений при внезапной ударной нагрузке при условии их термической обработки в соответствии с заявленным способом.

Таблица Механические свойства и эксплуатационная стойкость пластинчатых пружин из кремнистой стали 60С2 после термической обработки по известным способам, выбранным в качестве аналога и прототипа, и по предлагаемому способу.
№ п/п	Вид термической обработки пружин	Твердость, HRC	Ударная вязкость, KCU кДж/м2	Эксплуатационная стойкость, число нагружений
1	Термическая обработка в соответствии со способом-аналогом	48-52	0,35	10000
2	Термическая обработка в соответствии со способом-прототипом	44-48	0,62	25000
3	Термическая обработка в соответствии с предлагаемым способом при проведении отпуска в воздушной среде	38-42	1,40	80000
4	Термическая обработка в соответствии с предлагаемым способом при проведении отпуска в печи с кипящем слоем	38-42	1,45	100000