способ термической обработки фабрикатов из конструкционных сталей мартенситного класса

Формула изобретения

1. Способ термической обработки фабрикатов из конструкционных сталей мартенситного класса, включающий закалку и последующий низкотемпературный отпуск с нагревом до температуры не выше 240°С и выдержкой не менее 1,5 ч, отличающийся тем, что нагрев от температуры 60-120°С до температуры отпуска производят с регламентированной скоростью 5-20°С/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что низкотемпературный отпуск производят в садочной печи с нагреваемым муфелем путем создания принудительной циркуляции направленных газовых потоков в подмуфельном пространстве.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что газовые потоки направляют в зазоры, образованные внешними поверхностями металлургических фабрикатов, образующих садку, при этом максимальная разница температуры газовых потоков в зазорах по всей садке не превышает 50°С.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что температуру газовых потоков в зазорах регулируют изменением интенсивности нагрева отдельных частей муфеля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к улучшающей термической обработке стальных изделий из хромистой стали, и может быть использовано в производстве высокопрочных горячекатаных листов с повышенными баллистико-ударными характеристиками.

Известен способ термической обработки металлургических фабрикатов (прокатных валков) из хромистой стали мартенситного класса, включающий их объемную закалку водой от температуры 850-940°С и незамедлительный низкий отпуск (не позже, чем через 1 ч после закалки) при температуре 130-175°С в течение 15-20 ч в масляной ванне с электрическим подогревом [1].

Однако при низкотемпературном отпуске металлургических фабрикатов, закаленных на мартенсит, механические свойства стали, в особенности баллистико-ударные характеристики, зависят от скорости нагрева, что не учитывает известный способ. Это снижает комплекс механических свойств металлургических фабрикатов и их стабильность.

Известен также способ термической обработки изделий из хромистой стали мартенситного класса, включающий нагрев до температуры 980-1000°С, закалку в масло, последующий низкотемпературный отпуск путем нагрева до 160-180°С и выдержки в течение 16-20 ч [2].

Недостаток известного способа также состоит в том, что в период нагрева до температуры отпуска в метастабильной бейнитной структуре происходят неуправляемые процессы разупрочнения, что снижает комплекс механических свойств термообработанных изделий и их стабильность.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ улучшающей термической обработки изделий из конструкционной высокопрочной хромистой стали, включающий закалку и отпуск с нагревом до температуры 100-600°С и выдержку в течение не менее 1,5 ч [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что металлургические фабрикаты из конструкционной стали мартенситного класса в результате термической обработки приобретают низкий и нестабильный комплекс механических свойств, что обусловлено их нерегламентированным нагревом от температуры 60-120°С до температуры отпуска. Помимо этого, отпуск при температуре выше 240°С приводит к потере прочности и стойкости против баллистико-ударных нагрузок.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении комплекса механических свойств фабрикатов и их стабильности.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе термической обработки фабрикатов из конструкционных сталей мартенситного класса, включающем их закалку и последующий низкотемпературный отпуск с нагревом до температуры отпуска не выше 240°С, выдержкой в течение не менее 1,5 ч и охлаждением, согласно предложению нагрев от температуры 60-120°С до температуры отпуска производят с регламентированной скоростью 5-20°С/ч.

Сущность предложенного изобретения состоит в следующем. Для обеспечения высоких механических свойств закаленных металлургических фабрикатов из высокопрочных сталей мартенситного класса, в особенности стойкости против баллистико-ударных нагрузок, необходимо, во-первых, ограничить температуру отпуска величиной 240°С и, во-вторых, что самое важное, регламентировать скорость нагрева от температуры 60-120°С до температуры отпуска, т.к. именно в процессе нагрева в указанном температурном интервале интенсивно протекают процессы разупрочнения метастабильной закаленной мартенситной структуры, релаксации закалочных (термических и фазовых) напряжений, благодаря чему металлургические фабрикаты приобретают заданные механические свойства. Последующая выдержка в течение не менее 1,5 ч способствует выравниванию температурного поля по сечению отпускаемых фабрикатов и повышению стабильности их механических свойств.

Низкотемпературный отпуск в садочной печи с нагреваемым муфелем, внутри которого создают принудительную циркуляцию газовых потоков, исключает необходимость использования масляной ванны, обеспечивает более равномерный прогрев фабрикатов. Целенаправленное пропускание газовых потоков через зазоры, образованные внешними поверхностями металлургических фабрикатов, составляющих садку, обеспечивает более равномерный ее прогрев, и при максимальной разнице температуры газовых потоков в зазорах по всей садке, не превышающей 50°С, в процессе нагрева формируются равномерные и высокие механические свойства во всех изделиях, составляющих садку. При этом, поскольку газовые потоки в подмуфельном пространстве нагреваются за счет теплообмена с внутренней стенкой муфеля, изменение интенсивности нагрева отдельных частей муфеля позволяет эффективно изменять температуру газовых потоков в подмуфельном пространстве и поддерживать разницу температуры газовых потоков в зазорах по всей садке не более 50°С.

Экспериментально установлено, что при температуре отпуска конструкционной закаленной стали мартенситного класса выше 240°С происходит резкое падение механических свойств (прочности, твердости). Снижение времени выдержки при температуре отпуска менее 1,5 ч приводит к формированию нестабильных механических свойств металлургических фабрикатов, а также не снижает в достаточной степени закалочных напряжений, что охрупчивает сталь и может привести к образованию трещин в изделиях при их обработке и эксплуатации.

Нагрев закаленных металлургических фабрикатов до температуры 60-120°С можно вести с произвольной скоростью, т.к. при этом в закаленной стали эффекты разупрочнения не инициируются. После достижения пороговой температуры 60-120°С нагрев до температуры отпуска следует вести с регламентированной скоростью 5-20°С/ч. Увеличение скорости нагрева более 20°С/ч приведет к тому, что термокинетические процессы, происходящие при нагреве, приведут к формированию различной субструктуры в разных частях закаленных фабрикатов. В результате снизятся уровень и стабильность механических свойств. Снижение скорости нагрева в указанном температурном интервале менее 5°С не приведет к дальнейшему повышению уровня и стабильности механических свойств, но удлинит цикл нагрева, что нецелесообразно.

При разнице температур газовых потоков в зазорах по всей садке не выше 50°С неравномерность нагрева не сказывается отрицательно на формировании отпущенной микроструктуры и свойств металлургических фабрикатов. Увеличение разницы температур газовых потоков сверх 50°С приводит к формированию неравномерных и более низких свойств закаленной стали в отдельных частях садки и фабрикатов, что недопустимо.

Примеры реализации способа

Горячекатаные листы толщиной 12 мм из высокопрочной стали мартенситного класса 25 ХНМ, используемые для изготовления деталей противопульной бронезащиты, после горячей прокатки на реверсивном стане 2000 подвергают закалке водой в роликовой закалочной машине от температуры Т_з=850°С. Закаленные горячекатаные листы в холодном состоянии транспортируют к колпаковой муфельной печи и равномерно размещают на решетчатой подине, под которой расположен электровентилятор, формируя садку. Листы на подине печи размещают под углом к вертикали с зазорами между смежными листами, образованными с помощью стальных прокладок.

В каждый из зазоров между поверхностями листов помещают термопару для контроля температуры газовых потоков во всех частях садки. После этого садку накрывают муфелем из жаропрочной стали, поверх которого устанавливают нагревательный колпак с газовыми горелками, работающими на природном газе, расположенными по его периметру.

Затем включают электровентилятор, который обеспечивает принудительную циркуляцию направленных газовых потоков (воздуха) по внутренней стенке муфеля и в зазорах между отдельными листами. Разжигают газовые горелки нагревательного колпака и производят нагрев наружной стенки муфеля. По мере нагревания муфеля происходит нагрев омывающих его внутреннюю поверхность, создаваемых электровентилятором газовых потоков, которые, проходя через зазоры между листами, производят их разогрев до температуры Т_н=90°С с максимально возможной скоростью нагрева.

После достижения садкой температуры Т_н=90°С скорость нагрева снижают до величины V_н=12,5°С/ч. Скорость нагрева и равномерность температуры в зазорах между листами контролируют с помощью размещенных в зазорах термопар. Скорость нагрева регулируют изменением подачи природного газа по всем газовым горелками. Максимальную разницу температур в зазорах поддерживают на уровне Т=30°С за счет увеличения или уменьшения подачи природного газа в соответствующие горелки нагревательного колпака, что приводит к изменению интенсивности нагрева отдельных частей муфеля.

Регламентированный нагрев садки из закаленных листов ведут до температуры отпуска Т_о=210°С, при достижении которой нагрев прекращают и производят изотермическую выдержку садки в течение времени _о=5 ч. Заданную температуру отпуска обеспечивают регулированием подачи природного газа к горелкам нагревательного колпака и контролируют с помощью термопар.

По истечению заданного времени выдержки газовые горелки выключают, снимают нагревательный колпак и муфель. При этом садка отпущенных листов самопроизвольно охлаждается до температуры окружающей среды.

Благодаря применению предложенного способа достигается одновременное повышение комплекса механических свойств металлургических фабрикатов (горячекатаных листов из хромистой стали) и их стабильности.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице.

Из таблицы следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение комплекса механических свойств горячекатаных листов (металлургических фабрикатов) и их стабильности. Термообработанные листы обладают высокими бронезащитными свойствами, т.к. выдерживают высокоимпульсную ударную нагрузку. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5), а также при реализации способа-прототипа, комплекс механических свойств и их стабильность снижаются. Горячекатаные листы не выдерживают испытания высокоимпульсной ударной нагрузкой, вследствие чего не пригодны в качестве бронезащитных деталей.

Технико-экономические преимущества предложенного способа термической обработки металлургических фабрикатов из высокопрочных сталей мартенситного класса заключаются в том, что низкотемпературный отпуск закаленных листов с нагревом в диапазоне от 60-120°С со скоростью 5-20°С/ч до температуры не выше 240°С и выдержкой 1,5-2,5 ч, причем когда разница температуры газовых потоков, принудительно направляемых в зазоры между внешними поверхностями фабрикатов, не превышает 50°С, обеспечивает одновременное повышение комплекса механических свойств и их стабильности, а также придает листам бронезащитные свойства.

Таблица Режимы термообработки и свойства листов из стали 25ХНМ
№ п/п	Температурно-временные режимы						Механические свойства
	Тз, °C	Тн, °С	V н, °С/ч	T, °C	То , °С	о, ч	в, Н/мм2	т, Н/мм2	, %	, %	HRC, ед.	KCU, Дж/см2	Высокоимпульсн. ударная нагрузка
1.	1000	50	4	15	180	1,4	1100-1500	750-1200	3-7	12-18	40-49	35-50	не выдержив.
2.	980	60	5	30	200	1,5	1400	1100	8	20	48	60	выдержив.
3.	960	90	12,5	40	220	2,0	1300	1000	9	30	46	80	выдержив.
4.	950	120	20	50	240	2,5	1200	900	10	25	44	70	выдержив.
5.	940	130	22	60	250	3,0	900-110	750-800	4-7	16-18	37-42	40-55	не выдержив.
6.	900	не	не	не	100	1,5	850-910	640-690	15-22	28-36	32-41	9-13	не выдержив.
		регл.	регл.	регл.

В качестве базового объекта при определении экономической эффективности предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства высокопрочных листов из сталей мартенситного класса на 25-30% за счет увеличения выхода годного.

Литература

1. Петров А.С., Карманов А.И. Производство валков холодной прокатки. М., Металлургиздат, 1972 г., с.142-146.

2. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки. М., Металлургия, 1986 г., с.235-237.

3. Патент Российской Федерации №2131932, МПК C 21 D 1/25, 1/02, 8/00, опубл. в 1999 г. - прототип.