СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ТИПА ВАЛОВ Российский патент 1994 года по МПК C21D9/28 C21D1/56 C21D1/62 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической обработки, и может быть использовано в термических целях машиностроительных заводов, изготавливающих длинномерные изделия типа судовых валов, колонн, труб, валов листогибочных машин, роторов, а также бандажей, изготовленных из одного крупного слитка и подвергаемых термообработке собранными на штанге в виде полого вала.

Для изготовления судовых валов длиной 15-25 м диаметром 350-800 мм применяются слитки массой до 145 т из конструкционных углеродистых и легированных сталей. Из-за сильно развитой ликвидации химических элементов в стали при получении крупнотоннажных слитков (к традиционно ликвидирующим в значительной степени элементам относятся углерод, сера и фосфор) в процессе дальнейшего изготовления изделий возникают осложнения с получением уровня механических свойств в требуемом интервале значений. Ликвация углерода по длине заготовок обуславливает разброс свойств: значения прочностных и пластических характеристик материала на разных концах заготовки отличаются существенным образом. Эту разницу в значениях временного сопротивления строго регламентируют. Как правило, превышение содержания углерода в прибыльной части заготовки (верхняя часть исходного слитка) над его содержанием в донной части (нижняя часть исходного слитка) составляет 0,04-0,08% (абс) или 11-22% (отн). Известно, что увеличение содержания углерода приводит к росту значений прочностных свойств (σ_т,σ_в) и ухудшению пластических характеристик (δ, Ψ). В результате этого после окончательной термической обработки на донном конце вала возможны более низкие значения прочностных свойств, а на прибыльном конце - превышение требуемых прочностных свойств и выпады по пластическим характеристикам. Для приведения механических свойств в соответствии с установленными нормами применяют повторные полные циклы термической обработки, дополнительные отпуски.

Применяемые (известные) способы окончательной термической обработки - закалка с высоким отпуском - с быстрым погружением изделия в охлаждающую среду при закалке не позволяют подавить влияние ликвации и обеспечить равномерность механических свойств по концам длинномерного изделия. Зачастую, чтобы избежать значительного разброса механических свойств, длинномерные изделия изготавливают из нескольких составных частей, а потом соединяют их между собой сваркой.

Известен способ окончательной термической обработки, включающий нагрев до температур аустенизации 860^оС, длительную выдержку при этой температуре, последующее глубокое охлаждение в воде и дальнейший отпуск при 600-680^оС (Ю. А. Башнин. Термическая обработка крупногабаритных изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах. М. , Металлургия, 1985, с. 88-94, рис. 58). Этот способ обеспечивает возможность получения различных структур (а, значит, и свойств) по сечению крупных заготовок в зависимости от скорости охлаждения. Так, при скорости охлаждения 2400^оС/ч в поверхностных зонах сечения происходит превращение в мартенситной области, далее вглубь сечения по радиусу скорость охлаждения падает и структурообразование происходит в верхней и нижней областях промежуточного (бейнитного) превращения. Разница в скорости охлаждения определяет микроструктуру зон сечения и, как следствие, уровень свойств. Однако известный способ не рассматривает зависимости свойств от химической неоднородности и не предлагает методов борьбы с разбросом свойств по длине и концам длинномерных заготовок. Известный способ предполагает одновременное быстрое погружение всей заготовки в закалочную среду (об этом свидетельствуют рекомендации глубокого подстуживания заготовок в течение 60-80 мин), ставит в зависимость уровень механических свойств от химического состава отдельных зон крупной поковки. Химическая неоднородность в данном случае обуславливает разницу свойств по длине заготовки (низ слитка - верх слитка, этот же источник информации).

Известный способ связывает воедино скорость охлаждения, которая задается в данном случае только габаритами изделия, и уровень свойств. В течение известного процесса невозможно влиять каким-либо образом на происходящие структурные преобразования. Все характеристики процесса определяются задолго до проведения самой закалки и в ходе охлаждения в закалочной среде остаются неизвестными. Влияние химической неоднородности при известном способе термической обработки не поддается исправлению.

Таким образом, недостатком известного способа является невозможность подавления влияния ликвации легирующих элементов и углерода на прочностные и пла- стические характеристики, а также разброс в результате этого механических свойств по концам изделий (валов).

Наиболее близким (прототип) техническим решением к заявляемому способу термической обработки по сущности и достигаемому эффекту является способ термообработки, заключающийся в нагреве до температуры аустенизации, выдержки, охлаждении сначала в среде с максимальной охлаждающей способностью (воде) до достижения на поверхности изделия температуры начала мартенситного превращения, затем в среде с минимальной охлаждающей способностью (масле) - до достижения на поверхности изделия температуры верхней ветки кривой начала распада аустенита, а окончательное охлаждение - в среде с промежуточной охлаждающей способностью (воздухе). Его начинают с момента достижения в центре изделия температуры, соответствующей температуре центра изделия при непрерывном охлаждении в масле в момент достижения на поверхности температуры Мн. Охлаждение в средах с максимальной и минимальной охлаждающей способностью ведут многократно.

Термическая обработка в промышленных условиях крупных длинномерных поковок по этому режиму трудно выполнима из-за того, что требования по температурным условиям охлаждения стабильно выполнить нельзя. При изготовлении судовых валов применение большого количества термопар для контроля режима охлаждения (особенно в среде с минимальной охлаждающей способностью) в промышленных условиях и по всей длине заготовок затруднительно, так как это приводит к значительному усложнению процесса термической обработки и повышению его стоимости. Более того, многократное проведение режимов охлаждения в двух средах приведет к существенным потерям объемов самих охлаждающих сред и большому загрязнению производственных площадей из-за их разбрызгивания при подъеме заготовок (масло и вода будут "падать" с верхней части валов с высоты 20-26 м.

Осуществление подобного режима не может решить основной задачи окончательной термической обработки длинномерных поковок - получение однородных значений механических свойств по всей длине изделий. Многократное проведение охлаждения в средах с максимальной и минимальной охлаждающей способностью предполагает быстрое погружение изделий в закалочные емкости, ибо в противном случае теряется весь смысл многоступенчатого процесса. В любой заготовке, подвергаемой такому режиму, уровень свойств всецело будет определяться размерами сечения и степенью химической неоднородности распределения легирующих элементов по длине заготовок.

Одной из характерных черт, присущих окончательной термической обработке крупных поковок (как известному способу, так и способу, принятому за прототип) на предприятиях отрасли и известных в литературных и других научно-технических источниках, является быстрое - в течение нескольких секунд - погружение заготовок в охладитель при закалке. Во всех известных конструкциях существующего термического оборудования скорость погружения в закалочную среду в пределах 0,8-1,2 м/с. Заготовки судовых валов длиной до 25 м погружаются в закалочный бак в течение 30-15 с. , т. е. практически одновременно начинают охлаждаться оба конца длинномерной заготовки. За весь период охлаждения в прибыльном конце, где больше углерода, структурные превращения будут происходить по тому же механизму, что в данном конце заготовки (с меньшим содержанием углерод). В результате уровень механических свойств по концам заготовок будет существенно отличаться один от другого.

Целью изобретения является подавление отрицательного влияния ликвации углерода на свойства длинномерной заготовки и обеспечение по всей длине, в том числе и по концам заготовок, равнозначных показателей прочностных и пластических характеристик материала.

Цель достигается путем нагрева изделий до температуры аустенизации 850-880^оС, выдержки при этой температуре в течение 4-7 ч, обеспечивающей равномерный прогрев всей заготовки по длине и сечению. Последующее охлаждение с температур аустенизации при закалке в воде ведут следующим образом. В воду (в вертикальный закалочный бак) медленно, со скоростью 0,03-0,04 м/с, донным концом (с меньшим содержанием углерода) погружают заготовку длинномерного вала. Продолжительность погружения в воду длинномерной заготовки при этом составит 625-830 с (10-14 мин). Время выдержки в воде (в течение 6-20 мин) задают по верхнему прибыльному (с большим содержанием углерода) концу заготовки. Далее заготовку вала с такой же скоростью 0,03-0,04 м/с поднимают из водяного бака (в течение 10-14 мин) и помещают в масляный бак для окончательного охлаждения в течение 30- 40 мин до 100-150^оС. После охлаждения заготовки подвергают высокому отпуску при 630-650^оС (одинаковой для обоих концов заготовки) в течение 20 ч.

Таким образом, донный конец заготовки с меньшим содержанием углерода в металле находился в воде в течение 10-14 (погружение) +6-10 (выдержка) +10-14 (выдача из бака) = 26-38 мин, а прибыльный конец заготовки с большим содержанием углерода в металле 6-10 мин. Температура донного конца за это время охлаждения становится равной 50-80^оС (температура воды закалочного бака), т. е. донный конец заготовки полностью охлаждается. Температура же прибыльного - верхнего конца заготовки - находится в пределах 350-450^оС. За счет дальнейшего выравнивания температур длительность последующего окончательного охлаждения в масле значительно сокращается (на 60-100 мин).

Технические характеристики оборудования представляют уникальную возможность регулирования продолжительности охлаждения отдельных зон одной заготовки в закалочной среде. Как правило, зональная ликвация крупных слитков обуславливает увеличение содержания углерода в прибыльной части длинномерной поковки на 11-22% (отн), на половине длины - на 6-12% (отн) по сравнению донной частью.

Погружение в закалочную среду (в воду) со скоростью 0,03-0,04 м/с при охлаждении в процессе закалки донным концом заготовки гарантирует ему большую в 4-5 раз, а зон на половине длины в 2-3 раза продолжительность охлаждения в воде по сравнению с прибыльным концом. Т. е. , если увеличение содержания углерода в крупных поковках происходит от донного конца к прибыльному, то продолжительность охлаждения при закалке с медленным погружением возрастает от прибыльного к донному концу заготовок. Два градиента основных параметров окончательной термической обработки, обуславливающих получение необходимого уровня механических свойств, в предлагаемом способе охлаждения направлены навстречу один другому. Это явление нивелирует влияние ликвации углерода на уровень механических свойств.

Увеличение выдержек в воде приводит к тому, что структурные преобразования происходят по байнитному механизму. При этом в донном конце из-за значительной выдержки в воде они поражают все сечение заготовки. При малой выдержке в воде (прибыльный конец заготовки) внутренние слои, как правило, претерпевают перлитное превращение. Начавшееся бейнитное превращение в поверхностных слоях в интервале температур 400-250^оС не заканчивается из-за недостаточной продолжительности охлаждения в воде. Перенос заготовки из воды в масло сопровождается повышением температуры поверхностных слоев прибыльного конца за счет подвода тепла от внутренних слоев и тепла фазовых превращений (температура поднимается на 100-170^оС). При температуре поверхности в интервале 400-250^оС в процессе переноса заготовки из воды в масло скачок температур может достичь и большей величины, в результате чего увеличится вероятность попадания в область перлитного превращения. Для внутренних слоев прибыльного конца заготовки превращения идут в перлитной области.

Таким образом, время выдержки заготовки в воде при закалке оказывает решающее значение для проработки структуры по сечению и обеспечивает получение высокого комплекса механических свойств. При малом времени выдержки большая часть сечения (прибыльный конец заготовки) претерпевает перлитное превращение. При увеличении времени выдержки в поверхностной зоне и внутренних зонах сечения (донный конец заготовки) будет происходить бейнитное превращение. Различие механизмов структурных превращений в металле донного и прибыльного концов заготовки, обусловленное неодинаковой продолжительностью выдержек в охладителе в процессе закалки, сглаживает влияние ликвации углерода на этих участках, которое проявилось бы в случае одинаковой продолжительности охлаждения в воде обоих концов во время окончательной термической обработки.

Уделяется особое внимание приему медленного последовательного охлаждения заготовки в воде и теоретическому обоснованию происходящих процессов в виду того, что определяющая особенность предлагаемого способа закалки длинномерных валов заключена именно в этом элементе окончательной термической обработки.

Предлагаемый способ окончательной термической обработки обеспечивает равномерность свойств по длине цельнокованных длинномерных заготовок валов, подавляя методом медленного со скоростью 0,03-0,04 м/с последовательного зонального погружения влияние химической неоднородности распределения углерода по концам заготовок. Он рекомендует единственно возможный и практически легко осуществимый путь получения равных значений механических свойств по всей длине заготовки независимо от степени ликвидации легирующих элементов.

Способ медленного погружения при закалке ставит во взаимодействие продолжительность охлаждения разных зон одной поковки, степень химической неоднородности элементов по длине заготовки, определяющих уровень свойств, и непосредственно требуемый уровень прочностных и пластических характеристик. Изменяя скорость погружения, можно изменять и продолжительность охлаждения заготовок в процессе закалки, регулируя тем самым значения механических свойств. Скорость погружения заготовок - переменная величина, которая независимо от степени химической неоднородности нивелирует ее влияние на уровень свойств.

Предлагаемый способ окончательной термической обработки при сравнительно небольшой продолжительности (32-36 ч) гарантирует получение на концах длинномерной поковки одинаковые значения механических свойств. Известные способы, как и прототип, имеют большую продолжительность и не обеспечивают равномерности прочностных и пластических характеристик по длине заготовок.

Кроме того, предложенный способ закалки дает возможность использовать транспортные тихоходные краны, что позволяет расширить номенклатуру обрабатываемых изделий, не требуя при этом специального оборудования, дополнительных затрат и т. д.

Заявляемое техническое решение отличается от аналогичных технических решений и от прототипа тем, что в предложенном способе с целью подавления отрицательного влияния зональной ликвации химических элементов на величину и разброс механических свойств, а также выравнивания свойств по концам длинномерных изделий охлаждение заготовок в воде производится медленным погружением с регламентируемой скоростью 0,03-0,04 м/с, причем погружение длинномерных изделий осуществляется донным концом поковки вниз, соответствующим нижней части исходного слитка (с меньшим содержанием углерода).

П р и м е р. Производилась окончательная термическая обработка шести заготовок судовых валов длиной 22-23,5 м наружным диаметром 525-600 мм из стали 36Х2Н2МФА, полученных из слитков массой 78 и 82 т. Одну заготовку вала после выдержки при температуре аустенизации погружали в воду и поднимали из бака со скоростью 0,8-1,2 м/с, четыре заготовки - с скоростью 0,03-0,04 м/с, одну заготовку - со скоростью 0,01-0,02 м/с. После охлаждения в воде заготовки переносили в масляный бак и продолжали охлаждение до температуры металла 100-150^оС. Отпуск производили при температуре 630-650^оС в течение 20 ч.

После закалки и отпуска проводили исследования химического состава и механических свойств металла, отобранного от донной и прибыльной частей каждого вала. Данные исследований свидетельствует о том, что скорость погружения 0,03-0,04 м/с является оптимальной, обеспечивает подавление влияния ликвации на уровень свойств и в результате этого равномерные высокие свойства по всей длине вала.

Использование: термическая обработка судовых валов, колонн, труб, валов листогибочных машин, роторов и бандажей, изготовленных из крупных слитков. Сущность изобретения: после нагрева до температур аустенизации и выдержки изделия погружают концом с меньшим содержанием легирующих элементов вниз со скоростью 0,03 - 0,04 м/с в воду, выдерживают 6 - 10 мин и извлекают в таком же положении с вышеуказанной скоростью. Затем охлаждают в масле до 100 - 150 С. Использование данного способа обеспечивает равномерность свойств по длине изделия.

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ТИПА ВАЛОВ, включающий нагрев до температур аустенизации, выдержку и охлаждение сначала путем погружения и выдержки в течение заданного времени в воде и извлечения из нее, затем в масле до заданной температуры, отличающийся тем, что, с целью обеспечения равномерных свойств по длине изделия, нагрев ведут до 860 - 880^oС, погружение изделий в воду и извлечение из нее осуществляют концом с меньшим содержанием легирующих элементов вниз со скоростью 0,03 + 0,04 м/с, при этом выдержку в воде проводят в течение 6 - 10 мин, а охлаждение в масле ведут до 100 - 150^oС.