способ термической обработки изделий из углеродистой инструментальной стали

Формула изобретения

Способ термической обработки изделий из углеродистой стали, включающий подогрев, окончательный нагрев под закалку и охлаждение в водном растворе поваренной соли, отличающийся тем, что подогрев выполняют при 200 - 250^oС в течение 20 - 30 мин, окончательный нагрев под закалку проводят при 758 - 768^oС в течение 22 - 25 мин, а охлаждение осуществляют в водном растворе поваренной соли плотностью 1,085 г/см³ при температуре 20 - 25^oС с последующим отпуском при 100^oС "кипячением" в течение 2 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления холодновысадочного инструмента, тонких пробивных пуансонов и изделий типа "сердечника", в частности для пуль патронов стрелкового оружия.

Известен способ термической обработки углеродистой стали, включающий нагрев изделий до 780-790^oC, выдержку и охлаждение в воде с последующим отпуском при температуре 150-200^oC на твердость HRC_э 62-63 (Инструментальные стали. Справочник под редакцией А.А. Гуляева, М., "Машиностроение", 1975, с. 36).

Недостатком этого способа является низкая твердость (HRC_э 62-63), не обеспечивающая высокое значение показателя пробиваемости бронежилетов живой силы противника и легкобронированных объектов военной техники пулями с сердечником, изготовленным по этому способу.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ термической обработки изделий из стали марки У10-У12, включающий подогрев при температуре 500-600^oC в течение 1 часа, окончательный нагрев под закалку при температуре 780-790^oC и охлаждение в водном растворе поваренной соли с последующим отпуском при температуре 100-120^oC, с таким расчетом, чтобы получить твердость HRC_э 63-66. (Ю.А. Геллер, Инструментальные стали, М., "Металлургия", 1975, с. 244).

К недостаткам этого способа следует отнести тот факт, что повышение температуры подогрева и закалки не позволяет получить высокие значения прочности сердечника, а показатель пробивного действия сердечника, выполненного из стали марки У10-У12 составляет всего 60-80%, что не отвечает современным требованиям по пробивному действию и пуля с таким сердечником способна поражать только живую силу противника, не защищенную средствами защиты.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение прочности обрабатываемых изделий.

Технический результат достигается за счет того, в известном способе термической обработки изделий из углеродистой стали, включающем подогрев, окончательный нагрев под закалку и охлаждение в водном растворе поваренной соли, подогрев выполняют при температуре 200-250^oC в течение 20-30 минут, нагрев под закалку проводят при температуре на 5-10^oC ниже точки температуры Кюри (768^oC), а охлаждение осуществляют в водном растворе поваренной соли плотностью 1,085 г/см³ при температуре 20-25^oC с последующим отпуском при температуре 100^oC с "кипячением" в течение двух часов. Нагрев по закалку проводят в течение 22-25 минут. Это объясняется равномерным распределением структурных составляющих и работы разрушения, полученных под воздействием магнитострикционного термоциклирования при нагреве под закалку. Для заявляемого изобретения показатель пробиваемости бронированного объекта составляет 90-100%, что значительно выше, чем в способе, выбранном в качестве прототипа, и достигается вследствие более высоких значений прочности при изгибе и работы разрушения, что наглядно показано в приведенной в конце описания таблице. При подогреве меньше 200^oC исходная структура стали не претерпевает изменений, но сохраняется значительный перепад между окончательной температурой нагрева (763^oC) и, следовательно, усилит термические напряжения в изделии.

При подогреве больше 250^oC происходит активное выделение цементита (Fe₃C), а увеличение выдержки больше 30 минут приводит к его коагуляции, что снижает однородность структуры стали после закалки.

Нагрев под закалку ниже температуры точки Кюри более 10^oC сопровождается снижением твердости (HRC_э 61-63) из-за уменьшения содержания углерода в мартенсите и тогда сердечник пластически деформируется при ударе о броневой лист.

Нагрев под закалку выше температуры точки Кюри повышает содержание углерода в мартенсите, увеличивает размер зерна, снижает прочность и пробиваемость сердечника.

Подогрев при 200-250^oC необходим для снижения температурных напряжений и сокращения времени выдержки при окончательном нагреве под закалку. Кроме того, исходная структура стали не может быть однородна и отличается в разных плавках, поэтому подогрев в интервале температур 200-250^oC в течение 20-30 минут сопровождается снижением концентрационной неоднородности, выделением дисперсных частиц -карбида и Fe₃C без из коагуляции, которая наблюдается при высоких температурах подогрева. Наличие мелкодисперсных частиц исходной структуры служит центрами кристаллизации при окончательном нагреве и получению однородной мелкозернистой структуры при закалке.

Температура закалки определяется точкой Кюри (768^oC), при которой происходит потеря магнитных свойств стали. В данном случае проявляется магнитострикционный эффект, заключающийся в упорядочении доменной структуры стали, закрытием микропор, дефектов, уменьшением объема и увеличением плотности ее.

Нагрев при 7635^oC позволяет получить содержание углерода в мартенсите - 0,6-0,7%, оптимальную твердость после закалки HRC_э 64-65, прочность при изгибе _изг =900 МПа. Повышение температуры закалки до 780-70^oC сопровождается увеличением углерода в мартенсите до 0,8-1,0%, ростом твердости до HRC_э 66-67 и снижением прочности при изгибе до _изг = 660 МПа (см. таблицу).

За время выдержки при нагреве под закалку (763^oC) температура расплава нагревательной среды изменяется в интервале 5^oC, что сопровождается магнитострикционным термоциклированием, то есть потерей и восстановлением магнитных свойств стали и, следовательно, более эффективным упорядочением доменной структуры, что как видно по результатам испытаний, существенно сказывается на повышении прочностных свойств, работы разрушения и показателя пробиваемости сердечника.

Пример. Сердечник насыпают в мерный ковш на 8 кг, помещают над зеркалом соляной ванны с температурой 763^oC и выдерживают 20-30 минут. За это время происходит сушка сердечника, прогрев до 200-250^oC, после чего ковш погружают в ванну для нагрева под закалку, выдерживают 22-25 минут и россыпью по наклонной плоскости закалочного бака охлаждают в растворе поваренной соли плотностью 1,085 г/см³ при строго регламентированной температуре 20-25^oC. Отпуск при 100^oC выполняется в кипящей воде в течение двух часов на оптимальную твердость HRC_э 64-65. Температура и плотность воды определяют не только скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения, но и существенно влияют на прочностные характеристики сердечника. Так, при одинаковой твердости (HRC_э 64-65) и содержании углерода в мартенсите (~0,7%), изменение скорости охлаждения может снизить прочностные характеристики до 50%. Отпуск сердечника кипячением (100^oC) в течение двух часов сопровождается уменьшением тетрогональности решетки мартенсита (снижение твердости) и выделением дисперсного -карбида (Fe₂C) с возрастанием твердости, то есть твердость закаленной стали не изменяется. Таким образом, уменьшение тетрагональности мартенсита сопровождается повышением прочности, вязкости, работы разрушения и пробиваемости сердечника. Кроме того, положительное влияние на прочностные характеристики оказывает сохранение ориентационной связи между мартенситом и -карбидом при отпуске 100^oC в течение двух часов. Незначительное количество остаточного аустенита (3-5%) не испытывает при отпуске 100^oC в течение двух часов каких-либо заметных превращений, однако происходит его стабилизация в отношении превращения в мартенсит при охлаждении до отрицательных температур, что повышает стабильность свойств и размеров сердечника при длительном хранении и в различных климатических условиях. Сокращение времени отпуска при 100^oC до 1,5 часа недостаточно для уменьшения тетрагональности решетки мартенсита, релаксации структурных и термических напряжений, что снижает прочность, работу разрушения и пробиваемость сердечника. Увеличение времени выдержки отпуска при 100^oC до 2,5 часов сопровождается нарушением равновесного состояния между уменьшением тетрагональности мартенсита и выделившимся -карбидом с сохранением между их решетками ориентационной связи, так как начинается превращение -карбида в цементит (Fe₃C), что снижает прочность, работу разрушения и пробиваемость сердечника без изменения твердости закаленной стали (HRC_э 64-65).

Таким образом, "устойчивость" твердости (HRC_э 64-65) при отпуске в течение двух часов свидетельствует об оптимальной температуре закалки и вместе с вышеизложенными обоснованиями доказывают преимущества предлагаемого способа по сравнению с известным способом.