СПОСОБ ЗАКАЛКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ Российский патент 2002 года по МПК C21D1/20 C21D1/25 C21D6/00 C21D6/04 

Изобретение относится к области термической обработки изделий из сталей и сплавов и может найти применение не только в аэрокосмической промышленности, но и в любой отрасли машиностроения.

Известен способ закалки изделий из сталей и сплавов мартенситного и переходного классов (SU 246554, C 21 D 1/56, 1969 г.), заключающийся в том, что обрабатываемое изделие после подготовки садки нагревают при обычной для данной стали (сплава) температуре закалки. После выдержки при температуре нагрева изделие переносят в ванну с расплавом солей (щелочей). Температура расплава может быть любой, в интервале от 400^oС до температуры на 30-40^oС выше начала мартенситного превращения обрабатываемой стали (сплава). В этом расплаве изделие выдерживают в течение времени, достаточного для сообщения ему температуры, при которой не происходит выделения вторичных фаз, охрупчивающих металл и одновременно исключающих стабилизацию аустенита. Для большинства сплавов время выдержки составляет 3-5 мин. Затем изделие вынимают из расплава и охлаждают на воздухе. Для изделий из сталей и сплавов переходного класса производят дополнительное охлаждение до обычных для данной марки минусовых температур.

Этот способ закалки изделий из сталей и сплавов имеет следующие недостатки. Возможно трещинообразование, вызванное технологической наследственностью. Изменение химсостава поверхностного слоя стали в зависимости от среды нагрева приводит к появлению аустенитного ободка, т.е. к стабилизации аустенита в поверхностном слое, что приводит к существенному уменьшению усталостной прочности и коррозионной стойкости сталей и сплавов мартенситного и переходного классов. Время выдержки в ванне с расплавом зависит не только от марки стали, но и от плавки, что может вызвать стабилизацию аустенита в сердцевине изделий.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ закалки изделий (SU 515804, МПК7 C 21 D 6/04, 22.06.1976, с.4), включающий нагрев изделий до температуры закалки, выдержку при этой температуре, изотермическую закалку в расплаве солей, обработку холодом и отпуск.

Этот способ позволяет уменьшить закалочные напряжения в изделиях, но имеет ряд недостатков. Возможно трещинообразование в изделиях, вызванное технологической наследственностью. Возможна стабилизация аустенита и связанное с этим ухудшение свойств сталей.

Предлагаемый способ закалки изделий из сталей и сплавов направлен на повышение качества готовых изделий.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе закалки изделий из сталей и сплавов производят нагрев изделий до температуры закалки, выдержку при этой температуре, изотермическую закалку в расплаве солей, обработку холодом и отпуск, но в отличие от прототипа, производят ряд операций. Предварительно проводят нагрев изделий до 260-280^oС и выдержку при этой температуре в течение 3 ч, что обеспечивает достаточно полное обезвоживание и обезжиривание. Затем осуществляют нагрев изделий до конечной температуры закалки, соответствующей марки стали, что обеспечивает снятие остаточных напряжений, вызванных технологической наследственностью, и исключение трещинообразования, особенно в поверхностном слое. Изотермическую закалку изделий из сталей и сплавов проводят при температуре, соответствующей верхнему интервалу бейнитного предпревращения, что позволяет исключить стабилизацию аустенита, повысить прочность, пластичность, теплостойкость и износостойкость готовых изделий. Для большинства марок сталей и сплавов температура закалки не превышает 900-1100^oС, поэтому закалку изделий из них осуществляют с указанных температур. Изделия из сталей и сплавов других марок, температура закалки которых выше 900-1100^oС, нагревают сначала до температуры, не превышающей 900-1100^oС, а затем до конечной температуры закалки соответствующей марки стали. Обработку холодом деталей ведут в псевдоожиженном слое сыпучих материалов, охлажденных незамерзающей средой (например, жидким азотом), до температуры, соответствующей максимуму превращения аустенита в мартенсит, что позволяет значительно улучшить свойства, стабилизировать размеры готовых изделий.

Для изделий из сталей и сплавов переходного класса, например, сталей марки ВНС-5, ВНС-2, охлаждение ведут до обычных для данной марки стали минусовых температур с последующим отогревом на воздухе. Затем изделия подвергают традиционному отпуску (старению) по соответствующему режиму для каждой марки стали.

Для изделий из сталей и сплавов переходного класса наиболее выгодно охлаждение вести с температуры изотермы в верхнем интервале бейнитного "предпревращения" непосредственно в псевдоожиженном слое сыпучего материала, например кварцевого песка, охлажденного незамерзающей средой, например жидким азотом, до температуры, соответствующей максимуму превращения аустенита в мартенсит. При этом сокращается расход жидкого азота и улучшаются условия обработки.

Способ осуществляют следующим образом.

Примеры конкретного выполнения способа для закалки изделий из сталей и сплавов с конечной температурой закалки, не превышающей 900-1100^oС:
1. Сталь 30ХГСНМА-ВД.

Подготовленную садку изделий подвергают обезвоживающему прогреву в печи при температуре 270±10^oС, выдерживают 3 ч и охлаждают на воздухе. Затем садку изделий загружают в печь окончательного нагрева до температуры закалки, равной для данной марки стали 900±10^oС. Выдержка при данной температуре составляет 20 мин. Собственно закалку - охлаждение производят в верхнем интервале бейнитного предпревращения. Садку изделий с температуры закалки помещают в расплавленную селитру с температурой 370±10^oС, соответствующей верхнему бейнитному превращению. Время выдержки включает время охлаждения до изотермы и время верхнего бейнитного предпревращения, определенного по диаграмме изотермического распада аустенита стали 30ХГСНМА-ВД и составляет соответственно для исследуемой садки 9 мин + 3 мин = 12 мин. При этом в отличие от прототипа исключается бейнитное превращение аустенита. Этого времени (12 мин) достаточно для подготовки всего объема металла к бейнитному превращению аустенита. Далее производят операцию обработки холодом. Садку деталей охлаждают в воде до температуры мартенситного превращения аустенита. Возможно также охлаждение садки деталей после изотермической закалки производить не в воде, а в псевдоожиженном слое сыпучего материала, например кварцевого песка, охлаждаемого незамерзающей средой, например, жидким азотом до температуры минус 50^oС с выдержкой 15 мин и отогревом до комнатной температуры на воздухе. После обработки холодом изделия подвергают отпуску при температуре 290±10^oС в течение 2 ч.

2. Сталь ВНС-2.

Подготовленную садку изделий подвергают обезвоживающему прогреву в печи при температуре 270±10^oС, производят выдержку в течение 3 ч, охлаждение на воздухе. Затем подготовленную садку изделий загружают сразу в печь окончательного нагрева до температуры закалки, равной для данной марки стали 275±10^oС, и выдерживают при этой температуре 40 мин. После осуществляют собственно закалку - охлаждение, которое производят в верхнем интервале бейнитного предпревращения. Садку изделий с температуры закалки погружают в расплавленную селитру с температурой 290±10^oС, соответствующей верхнему бейнитному превращению. Время выдержки включает время охлаждения данной садки до изотермы, т. е. до 290±10^oС - 12 мин и время верхнего бейнитного предпревращения - 4 мин. Время верхнего бейнитного превращения аустенита исключается последующим охлаждением в воде. Затем изделия обрабатывают холодом при минус 70^oС 2 ч и подвергают старению при 450±10^oС в течение 1 ч. Возможно также охлаждение садки деталей после изотермической закалки производить не в воде, а в псевдосжиженном слое сыпучего материала (кварцевого песка), охлаждаемого незамерзающей средой - жидким азотом до температуры минус 90^oС с выдержкой 12 мин и последующим отогревом до комнатной температуры на воздухе и последующим старением при 450±10^oС в течение 1 ч.

3. Сталь ВНС-5.

Подготовленную садку изделий подвергают обезвоживающему прогреву в печи при температуре 270±10^oС в течение 3 ч, охлаждают на воздухе. Затем подготовленную садку изделий загружают сразу в печь окончательного нагрева до температуры закалки, равной для данной стали 1075±10^oС, выдерживают 40 мин. После осуществляют собственно закалку - охлаждение, которую производят в верхнем интервале бейнитного предпревращения. Садку изделий с температуры закалки погружают в расплавленную селитру с температурой 290±10^oС, соответствующей верхнему бейнитному превращению. Время выдержки включает: время охлаждения данной садки до изотермы, т.е. до 290±10^oС - 11 мин и время верхнего бейнитного предпревращения - 5 мин. Время верхнего бейнитного превращения аустенита исключается последующим охлаждением в воде. Затем изделия обрабатывают холодом при минус 70^oС 2 ч и подвергают старению при 450±10^oС в течение 1 ч. Возможно также производить охлаждение садки деталей после изотермической закалки не в воде, а в псевдосжиженном слое сыпучего материала (кварцевого песка), охлаждаемого в незамерзающей среде - жидком азоте до температуры минус 110^oС с выдержкой 17 мин и отогревом до комнатной температуры на воздухе и последующим старением при 450±10^oС в течение 1 ч.

Примеры конкретного применения способа для закалки изделий из сталей и сплавов с конечной температурой закалки, превышающей 900-1100^oС:
1. Сталь Р18.

Подготовленную садку изделий подвергают обезвоживающему прогреву в печи при температуре 270±10^oС, выдерживают 3 ч при этой температуре и охлаждают на воздухе. Затем подготовленную садку изделий загружают сразу в расплавленную соляную ванну и при 980±10^oС, выдерживают 11 мин до полного прогрева садки и переносят в расплав хлорбариевой соляной ванны. При 1270±10^oС выдерживают 5 мин до полного завершения превращения и растворения карбидов. Затем осуществляют собственно закалку - охлаждение, которую производят в верхнем интервале бейнитного предпревращения. Садку изделий с температуры закалки погружают в расплавленную селитру с температурой 300±10^oС, соответствующей верхнему бейнитному превращению. Время выдержки включает: время охлаждения данной садки до температуры изотермы, т.е. до 300±10^oС - 16 мин и время верхнего бейнитного предпревращения - 7 мин. Время верхнего бейнитного превращения аустенита исключается последующим охлаждением в воде.

Возможно также охлаждение садки деталей после изотермической закалки производить не в воде, а в псевдосжиженном слое сыпучего материала (кварцевого песка), охлаждаемого в незамерзающей среде - жидким азотом до температуры минус 90^oС с выдержкой 10 мин и отогревом до комнатной температуры на воздухе. Затем изделия подвергают трехкратному отпуску при 550 ± 10^oС 1 ч.

Как видно из данных нижеприведенной таблицы, закалка изделий из сталей и сплавов по предложенному способу, по сравнению с прототипом, позволяет увеличить прочность и пластичность одновременно, ударную вязкость, малоцикловую усталость, теплостойкость и износостойкость, исключить коробление и трещинообразование, а также стабилизацию аустенита особенно в поверхностном слое.

Изобретение относится к термической обработке деталей и сплавов и может быть использовано в авиационной, аэрокосмической и других отраслях промышленности. Техническим результатом является повышение качества готовых изделий. Для достижения технического результата изделия нагревают в печи до температуры 260-280^oС, выдерживают при этой температуре в течение 3 ч и охлаждают на воздухе. Осуществляют нагрев изделий до температуры закалки, соответствующей марке стали. Изделия из сталей с конечной температурой закалки, не превышающей 900-1000^oС, например марки 30ХГСНМА-ВД, ВНС-2, ВНС-5, нагревают до температуры закалки и выдерживают при этой температуре. Изделия из сталей с конечной температурой закалки, превышающей 900-1100^oС, например марки Р18, нагревают в расплавленной соляной ванне сначала до температуры, не превышающей 900-1100^oС, и выдерживают до полного прогрева. Затем эти изделия переносят в расплав хлорбариевой соляной ванны, нагревают в ней до конечной температуры закалки, соответствующей данной марке стали, и выдерживают при этой температуре. Изотермическую закалку изделий из сталей и сплавов проводят при температуре, соответствующей верхнему интервалу бейнитного предпревращения. Обработку холодом деталей ведут в псевдоожиженном слое сыпучих материалов, охлажденных незамерзающей средой (например, жидким азотом), до температуры, соответствующей максимуму превращения аустенита в мартенсит. Далее производят отпуск (старение) изделий. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ закалки изделий из сталей и сплавов, включающий нагрев изделий до температуры закалки, выдержку при этой температуре, изотермическую закалку в расплавах солей, обработку холодом и отпуск, отличающийся тем, что ведут нагрев изделий до 260^o-280^oС, обезвоживают при этой температуре в течение 3 ч, затем осуществляют нагрев изделий до конечной температуры закалки соответствующей марки стали, а изотермическую закалку проводят при температуре, соответствующей верхнему интервалу бейнитного "предпревращения". 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев изделий до конечной температуры закалки проводят до температуры, не превышающей 900-1100^oС. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев изделий осуществляют ступенчато: сначала до температуры, не превышающей 900-1100^oС, а затем до конечной температуры закалки соответствующей марки стали. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку холодом ведут в псевдоожиженном слое сыпучих материалов, охлажденных незамерзающей средой, например жидким азотом, до температуры, соответствующей максимуму превращения аустенита в мартенсит.