СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАРЕЮЩИХ АУСТЕНИТНЫХ ИНВАРНЫХ СПЛАВОВ Российский патент 1997 года по МПК C21D6/00 

Изобретение относится к металлургии и термической обработке металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроительной и других отраслях промышленности, которые являются потребителями высокопрочных аустенитных сталей с низким коэффициентом температурного расширения (КТР).

Технический результат, на решение которого направленно изобретение - повышение прочности свойств аустенитных инварных сплавов.

В металловедении конструкционных материалов известен и широко применяется в качестве упрочняющей обработки метод холодной пластической деформации.

Известен способ обработки стареющих аустенитных сталей, включающий закалку и холодную деформацию.[1]
Известен способ обработки аустенитных сталей, включающий закалку, отпуск и холодную деформацию.[2]
Эти известные методы холодной деформации могут применяться к любым конструкционным сталям. В качестве ближайшего аналога выбран известный способ упрочнения, описанный в монографии Захарова А.И.[3]
Известный способ обработки стареющих аустенитных инварных сплавов, включающий нагрев до 1150^oC, изотермическую выдержку, охлаждение в воде и холодную деформацию.

Этот способ не обеспечивает получения достаточно высокого уровня прочности свойства, в частности предела текучести, так как в этом способе не реализованные факторы, которые можно было бы использовать для дополнительного упрочнения инваров.

Технический результат повышение прочности свойств аустенитных сплавов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе упрочнения аустенитных сплавов инварного типа, включающем нагрев до 1150^oC, изотермическую выдержку (2 ч), охлаждение в воде и холодную деформацию закаленного материала, перед заключительной обработкой проводят дополнительную деформацию сплава в процессе его охлаждения от температуры закалки 1150^oC, до Т_с 600-620^oC с изотермической выдержкой при температуре в течение 2-3 ч, а затем охлаждают в воде и подвергают холодной деформации. Благодаря этой дополнительной обработке в аустенитных зернах повышается плотность дислокаций и происходит выделение дисперсных частиц на дислокациях, поскольку охлаждение материала протекает в интервале температур 800-600^oC, где наблюдается распад пересыщенного твердого раствора. Изотермическая выдержка при Т_с 600-620^oC, обусловливает дополнительное выделение дисперсных частиц внутри аустенитных зерен. Происходит закрепление дислокаций выделяющимися дисперсными интерметаллидными частицами (N_i3 T_i). Таким образом создаются оптимальные условия распада пересыщенного твердого раствора, которые позволяют получить высокую прочность при сохранении достаточно высокого уровня пластичности. Уменьшение температуры изотермической выдержки ниже нижнего предела оптимального интервала (600-620^oC) снижает прочность количества интерметаллидных частиц, а увеличение температуры выше верхнего предела приводит к укреплению частиц и неравномерному их выделению как внутри, так и по границам зерен, что снимает прочность и особенно пластичность сплава. Увеличение времени из термической выдержки действует аналогично повышению температуры. Следовательно, повышение прочности свойств благодаря предлагаемому методу обработки по сравнению с известным происходит за счет повышения плотности дислокаций, которые закрепляются выделившейся интерметаллидной фазой и наличия в матрице дисперсных частиц новой фазы. Кроме того, необходимо отметить, что предлагаемый метод упрочнения не требует использования какого-либо дополнительного оборудования, его можно осуществлять на том же деформирующем устройстве, например прокатном стане, как и в случае холодной деформации (известный метод упрочнения), следовательно предлагаемый способ достаточно технологичен и прост в условиях реального производства.

Сведений об использовании распада пересыщенного твердого раствора в процессе деформации в интервале температур 1150-600^oC, и изотермической выдержки при 600-620^oC с целью повышения предела текучести авторами в литературе не обнаружено.

Пример. В качестве материала, упрочненного известным и предлагаемым методами, использовали сталь следующего состава, мас. 0,01 C; 36,0 Ni; 2,9 Ti; 10,0 Co; остальное-железо. Инвар H36К10Т3 массой 10 кг выплавляли в вакуумной индукционной печи из чистых компонентов. Слитки ковали при 1100^oC в прутки сечением 20х20 мм, которые затем нагревали до 1150^oC, изотермически выдерживали 2 ч и охлаждали в воде ( закаливали ).

Закаленные образцы деформировали при температуре в прокатном стане (известный метод упрочнения). Предлагаемый режим обработки состоит из следующих операций: нагрев в печи до 1150^oC, изотермическая выдержка 2 ч, высокотемпературная деформация в прокатном стане в процессе охлаждения (ВД) 1150 -600-620^oC, изотермическая выдержка в течение 2-3 ч при этой температуре, затем охлаждение в воде и деформация при комнатной температуре (ХД).

Термическое расширение сплава изучали на дилатометре 1) L-1500PHP (ULV AC-PIKO), по результатам которого рассчитывали KTP. Определение точки Кюри проводили по результатам измерения температурной зависимости в слабых полях (Камилов И. К. Алиев Х.К. Фазовые переходы второго рода в ферромагнетиках в слабых магнитных полях вблизи точки Кюри. УФH, 1983 т.140, вып.4,с.639-670). Из закаленных и упрочненных заготовок изготавливали цилиндрические образцы диаметром 4,5 мм и длинойl 15 мм для дилатометрии и ⊘ 3 мм и o 3 мм для измерения точки Кюри. Деформацию осуществляли прокаткой в ручьевых валиках. Механические испытания на растяжение проводили на пятикратных образцах диаметром 3 мм.

После закалки инвар H36К1073 имеет полностью аустенитную структуру. Точка Кюри сплава Т_к 320^oC и KTP при комнатной температуре α = 4•10^-6 град^-1.

Результаты испытаний представлены в таблице.

После закалки сплав H36К10ТЗ имеет характерные для инваров механические свойства (п. 1 табл.). Холодная деформация на 20% повышает прочные свойства сплава ( п.2 табл.) за счет увеличения плотности дислокаций ( известный способ).

В случае обработки по предлагаемому режиму происходят следующие процессы. При деформации во время охлаждения от 1150^oС до 600^oC происходит увеличение плотности дислокаций и выделение мелкодисперсных интерметаллидных частиц внутри аустенитных зерен. Распад пересыщенного твердого раствора происходит при охлаждении в интервале температур 800 -600 ^oС. Изотермическая выдержка τ 2 ч при 600^oС приводит к дополнительному выделению интерметаллидных частиц. Последующая деформация при комнатной температуре увеличивает в матрице плотностью дислокаций.

Таким образом, в результате упрочнения по предлагаемому методу по сравнению с известным на увеличение прочности свойств инвара влияют два дополнительных фактора: 1) выделение дисперсных интерметаллидных частиц как в процессе высокотемпературной деформации, так и при изотермической выдержке при 600^oC: 2) повышение в матрице плотности дислокаций за счет высокотемпературной деформации. Предлагаемая обработка позволяет повысить предел текучести и предел прочности инвара (п.4 табл.) по сравнению с известным способом в 1,6 раза. При этом пластичность имеет в обоих случаях близкие значения, и наблюдается вязкое разрушение. Уменьшение продолжительности изотермической выдержки с 2 до 1 ч обнаруживает тенденцию к уменьшению прочностных свойств из-за уменьшения количества интерметаллидных фаз ( п.3 табл.). При увеличении времени изотермической выдержки (t>3 ч) количество интерметаллидов в матрице увеличивается и прочность соответственно повышается (п.6 табл. ). Однако при этом относительное сужение имеет низкое значение (j 19%), и излом становится смешанным (вязкий + хрупкий). Следовательно, оптимальный временной интервал изотермической выдержки, обеспечивающей получение инвара с высокими значениями прочностных и пластических свойств, является t 2-3 ч (п. п. 4-5 табл.). Уменьшение температуры изотермической выдержки, например, до 550^oС или увеличение, например, до 650^oС влияет на изменение прочности и пластичности как и соответствующее изменение времени изотермической выдержки при 600^oC.

Также необходимо отметить следующее.

При использовании предложенного метода упрочнения общая деформация сплава (т.е. суммарная -горячая и холодная) составляет 50% Однако, если инвар Н36К10ТЗ деформировать на эту величину 50% при комнатной температуре, то он будет иметь следующее механические свойства:
То есть уровень свойства при такой обработке будет выше чем при холодной деформации на 20% но ниже, чем в предлагаемом способе. Таким образом, простое увеличение степени холодной деформации в известном способе до уровня общей комбинированной деформации не дает того повышения уровня прочностных свойств, которое обеспечивает предлагаемый способ, включающий комбинированную, ступенчатую деформацию сплава, а именно вначале "горячую" деформацию сплава его охлаждения от 1150^oС, а затем после изотермической выдержки при 600-620^oС и охлаждения в воде "холодную" деформацию при комнатной температуре.

Таким образом, предлагаемый способ благодаря своим новым признакам обеспечивает по сравнению с известным значительное ( ≃ в 1,6 раза) повышение прочных свойств стареющих аустенитных инварных сплавов.

Использование: изобретение относится к металлургии и термической обработке металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроительной промышленности. Технический результат - повышение прочностных свойств аустенитных инварных сплавов. Способ включает нагрев до 1150^oC, изотермическую выдержку, деформацию на 20% в процессе охлаждения до 600-620^oC, изотермическую выдержку при этой температуре в течении 2-3 ч, охлаждение в воде и холодную деформацию. 1 табл.

Способ обработки стареющих аустенитных инварных сплавов, включающий нагрев до 1150^oС, изотермическую выдержку, охлаждение в воде и холодную деформацию, отличающийся тем, что после изотермической выдержки при 1150^oС осуществляют дополнительную деформацию сплава на 20% в процессе его охлаждения от 1150 до 600^oС с последующей изотермической выдержкой при 600 - 620^oС в течение 2 3 ч.