способ сфероидизирующей термической обработки стали

Формула изобретения

Способ сфероидизирующей термической обработки стали, включающий интенсивное охлаждение проката со скоростью, при которой происходит образование структуры доэвтектоидного феррита, отличающийся тем, что после интенсивного охлаждения проката осуществляют его замедленное охлаждение в области формирования бейнитной структуры до температуры 200-250°С со скоростью, не превышающей 0,025°С/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сфероидизирующей обработке низкоуглеродистых низколегированных сталей бейнитного класса при производстве проката.

Известен способ сфероидизирующей термической обработки стали путем прерванной закалки, заключающийся в том, что охлаждение стали осуществляют от надкритических температур со скоростью, равной или большей критической скорости закалки на мартенсит, прерывают охлаждение стали при температурах ниже точки A₁, но выше точки М _н и продолжают со скоростью, значительно меньшей критической скорости закалки. Способ используют для термической обработки средне- и высокоуглеродистых сталей (Долженков И.Е., Долженков И.И. Сфероидизация карбидов в стали / И.Е.Долженков, И.И.Долженков. - М.: Металлургия, 1984. - с.65-69).

Основным недостатком вышеописанного способа сфероидизирующей термической обработки стали является низкая технологичность, так как прерывание охлаждения стали при температурах ниже точки A₁, но выше М_н приводит к распаду аустенита по промежуточному механизму, сфероидизация карбидов не получает должного развития, ферритоцементитная смесь приобретает игольчатое или пластинчатое строение, что в свою очередь приводит к снижению пластичности, вязкости и хладостойкости стали (см. таблицу).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ улучшающей термической обработки стали, включающий интенсивное охлаждение проката со скоростью, при которой происходит образование доэвтектоидного феррита, и последующий высокий отпуск при 100-600°С продолжительностью не менее 1,5 ч (патент RU 231932, МПК ⁷ С21D 1/25, С21D 1/02 С21D 8/00).

Основным недостатком данного способа является пониженная технологичность процесса термической обработки стали, так как требуемая структура зернистой формы карбидной фазы в стали формируется в результате двух последовательных операций - интенсивного охлаждения проката со скоростью, при которой происходит образование доэвтектоидного феррита, и высокого отпуска, что не позволяет сохранить остаточный аустенит и приводит к снижению пластичности, ударной вязкости и хладостойкости стали (см. таблицу).

Предлагаемым способом решается задача повышения технологичности процесса сфероидизирующей термической обработки стали.

Для достижения этого технического результата в способе сфероидизирующей термической обработки стали, включающем интенсивное охлаждение проката со скоростью, при которой происходит образование доэфтектоидного феррита, согласно изобретению после интенсивного охлаждения проката осуществляют его замедленное охлаждение в бейнитной области до температуры 200-250°С со скоростью, не превышающей 0,025°С/с.

Охлаждение проката со скоростью, при которой еще возможно образование доэвтектоидного феррита, с последующим замедленным охлаждением в бейнитной области обеспечивает начало частичного распада переохлажденного аустенита на доэвтектоидный феррит. Период интенсивного превращения сменяется стабилизацией аустенита, после которого распад продолжается с образованием бейнитного феррита и карбидов различного размера. Преимущественно образуются крупные глобулярные карбиды. После охлаждения в структуре стали сохраняется остаточный аустенит. Таким образом, в результате предлагаемой сфероидизирующей обработки в стали формируется структура, состоящая из ферритной матрицы, остаточного аустенита и скоплений карбидов преимущественно глобулярной формы.

Повышение технологичности процесса сфероидизирующей термической обработки стали обусловлено формированием при непрерывном охлаждении проката без осуществления отпуска, что необходимо при выполнении способа, выбранного в качестве прототипа, благоприятной структуры с зернистой формой карбидной фазы в стали с сохранением остаточного аустенита, и, следовательно, обусловлено высокими показателями пластичности, ударной вязкости и хладостойкости стали (см. таблицу).

Замедленное охлаждение проката в бейнитной области до температуры 200-250°С является оптимальным. Скорость охлаждения ниже указанной температуры из-за невысокого коэффициента диффузии углерода существенно не влияет на процесс сфероидизации карбидной фазы в стали и может выбираться как больше, так и меньше 0,025°С/с.

Скорость замедленного охлаждения проката в бейнитной области, не превышающая 0,025°С/ч, является оптимальной, так как приводит к формированию глобулярной карбидной фазы в стали. Скорость замедленного охлаждения проката в бейнитной области, превышающая 0,025°С/с, приведет к формированию неоднородной смеси феррита, игольчатого бейнита и мартенсита.

Данный способ применим для сталей, имеющих на термокинетической диаграмме обособленную бейнитную область.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена термокинетическая диаграмма превращения аустенита стали и нанесены кривые скоростей охлаждения проката (А - аустенит, М - мартенсит, Б - бейнит, П - перлит, Ф - феррит) и таблицей, в которой представлены механические свойства образцов из стали, изготовленных по способу-аналогу, способу-прототипу и по предлагаемому способу сфероидизирующей термической обработки.

В случае, если скорость охлаждения меньше чем Vmin, распад аустенита протекает в перлитной области термокинетической диаграммы, происходит выделение пластинчатых карбидов, дальнейшее замедленное охлаждение не приводит к их коагуляции. При скоростях охлаждения больших чем Vmax происходит формирование бейнитной структуры, в которой коагуляция карбидов затруднена.

Способ сфероидизирующей термической обработки стали осуществляют следующим образом.

Горячекатаный прокат с температуры 1250-900°С интенсивно охлаждают со скоростью, при которой еще происходит образование доэвтектоидного феррита, с критической скоростью закалки на бейнит, до достижения температуры ниже начала бейнитного превращения на 20-50°С путем орошения водовоздушной смесью через форсунки. Затем прокат подают в печь, где замедленно охлаждают в бейнитной области до температуры 200-250°С со скоростью, не превышающей 0,025°С/с. В результате охлаждения формируется структура, содержащая феррит, карбиды зернистой формы и остаточный аустенит.

Пример. Проводили сфероидизирующую обработку полосового проката стали 20Х2НАч (ТУ 14-1-3779-84) толщиной 8 мм. Состав стали (в %): 0.23 С; 0.32 Mn; 0.24 Si; 1.55 Cr; 1.14 Ni; 0.005 S; 0.015 Р; 0.03 РЗМ; 0.02 Al.

Испытания на ударную вязкость проводили на образцах типа 3 по ГОСТ 9454-78. Испытания на растяжение проводились на образцах типа 3 номер 5 по ГОСТ 1497-84. Сфероидизирующая термическая обработка заключалась в интенсивном охлаждении проката с температуры 900°С в потоке водовоздушной смеси со скоростью 6°С/с до температуры 580°С с последующим замедленным охлаждением в печи со скоростью 0,025°С/с.

Для получения сравнительных данных проводили улучшающую термическую обработку, включающую охлаждение с 900°С со скоростью, при которой происходит образование доэвтектоидного феррита, и отпуск при 400°С, и сфероидизирующую термическую обработку путем прерванной закалки, включающую интенсивное охлаждение с 900°С до 400°С со скоростью 600°С/с, и последующее замедленное охлаждение со скоростью 0,35°С/с однотипных образцов, изготовленных из этой же стали.

В каждой группе образцов определяли показатели пластичности, ударной вязкости при 20°С и ударной вязкости при -60°С (хладостойкость). Данные сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что предлагаемый способ сфероидизирующей термической обработки стали позволяет получить комплекс механических свойств, превышающий комплекс механических свойств стали, получаемых при термической обработке по способу-аналогу, и превышающий механические свойства стали, полученные при термической обработке по способу-прототипу.

Использование предлагаемого способа сфероидизирующей термической обработки стали обеспечивает по сравнению с прототипом получение структур зернистой морфологии без дополнительной операции отпуска, это увеличивает пластичность, ударную вязкость и хладостойкость стали.

Таблица Способ сфероидизирующей термической обработки стали Механические свойства образцов из стали, изготовленных по способу аналогу-аналогу, способу-прототипу и по предлагаемому способу сфероидизирующей термической обработки стали
Назначение обработки	Режимы термообработки	Относительное сужение, %	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, МДж/м2
				20°С	-60°С
Прерванная закалка (аналог)	Интенсивное охлаждение с температуры 900°С до 400°С со скоростью 600°С/с и последующее замедленное охлаждение со скоростью 0,35°С/с	45	12	1,1	0,8
Улучшающая термообработка (прототип)	Охлаждение с температуры 900°С и отпуск в течении 6 часов при температуре 400°С.	70	20	2,3	1,2
Предлагаемый способ термообработки	Охлаждение проката с 900°С до 580°С со скоростью 6°С/с, охлаждение со скоростью 0,025°С/с	74	31	2,8	1,9