СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОТИВОФЛОКЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОКОВОК Российский патент 2005 года по МПК C21D3/06 

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии проведения противофлокенной термической обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых, а также мало- и среднелегированных марок сталей.

Известен способ термической противофлокенной обработки крупногабаритных изделий для снижения содержания водорода в стали. Эффективность противофлокенной обработки (ПФО) определяется технологией, которая основывается не на количественных данных об удалении водорода, а на производственном опыте конкретного предприятия [1].

Наиболее близким по своей технической сущности является способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий ковку, охлаждение поковок на воздухе до температуры 250-350°С, нагрев в печи, выдержку при этой температуре и охлаждение [2].

Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа является большая продолжительность противофлокенной обработки.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является сокращение продолжительности термической обработки за счет учета фактического содержания водорода в исходном металле и диаметра поковки.

Поставленная задача достигается за счет того, что предлагается способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение после ковки на воздухе до температуры 250-350°С, нагрев поковок в печи, выдержу при этой температуре и охлаждение, при этом нагрев поковок в печи ведут до 660-700°С, выдержку проводят в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле, а охлаждение поковок осуществляют со скоростью 5-20°С/ч до 240-260°С.

Продолжительность выдержки поковок в печи составляет 5-7 минут на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода 0,00035-0,00050% (3,5...5 см³/100 г), при этом при исходном содержании водорода в металле менее 0,00035% выдержку поковок в печи уменьшают на 0,35 минут на 1 мм диаметра поковки при снижении исходного содержания водорода в металле на 0,00001%.

При термической противофлокенной обработке средне- и высоколегированных конструкционных сталей выдержку в печи поковок производят с промежуточным переохлаждением до температуры 200-300°С в середине выдержки, а продолжительность выдержки составляет 7-9 минут на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода в металле 0,00035-0,00050% (3,5...5 см³/100 г) и при исходном содержании водорода в металле менее 0,00035% выдержку поковок в печи уменьшают на 0,45 минут на 1 мм диаметра поковки при снижении содержания исходного водорода в металле на 0,00001 %.

Охлаждение поковок на воздухе после ковки до температуры 250-350°С обусловлено необходимостью полного протекания процессов распада аустенита. При температуре более 350°С в структуре поковок возможно наличие участков аустенита, растворимость водорода в которых существенно выше, чем в феррите, что в дальнейшем может привести к образованию флокенов. Переохлаждение до температуры менее 250°С приводит к возникновению значительных термических напряжений в поковке и, как следствие, к возможности образования трещин.

Нагрев поковок в печи до температуры 660...700°С и последующая выдержка при этой температуре обусловлены следующим. При температуре более 700°С возможно образование аустенита, растворимость водорода в котором существенно выше, чем в феррите, что при последующем охлаждении может привести к образованию флокенов. При температуре менее 660°С диффузия водорода существенно замедляется, что снижает эффективность удаления водорода из стали.

Охлаждение поковок после термической противофлокенной обработки со скоростью более 20°С/ч приводит к возникновению термических напряжений и, как следствие, к образованию флокенов. Охлаждение со скоростью менее 5°С/ч снижает производительность термического оборудования и экономически нецелесообразно.

Как правило, содержание водорода в металле после вакуумной обработки жидкой стали составляет 0,00035-0,00050% (3,5-5 см³/100 г). Эта концентрация водорода в поковках принята за исходную перед началом ПФО. Содержание водорода, обеспечивающее отсутствие в поковках флокенов, составляет 0,0002% [3]. Отсюда следует, что в процессе ПФО из поковок необходимо удалить 0,00015-0,00030% водорода. Учитывая, что коэффициент диффузии водорода в железе составляет 1,15·10^-3 см²/с [4], для этого потребуется 5-7 мин на 1 мм диаметра поковки, что соответствует диапазону исходного содержания водорода в стали перед ПФО (0,00035-0,00050%). В случае, если исходное содержание водорода в жидкой стали, а следовательно, и в поковке, меньше 0,00035-0,00050%, то выдержка поковок в печи может быть уменьшена на 0,35 минут на 1 мм диаметра поковки при снижении содержания водорода на 0,00001%.

Промежуточное переохлаждение до температуры 200-300°С в середине выдержки в печи поковок из средне- и высоколегированных сталей необходимо для гарантированного распада остаточного аустенита, который в данных сталях отличается повышенной стабильностью. При температуре более 300°С в структуре поковок возможно наличие участков аустенита, растворимость водорода в которых существенно выше, чем в феррите, что в дальнейшем может привести к образованию флокенов. Переохлаждение до температуры менее 200°С экономически нецелесообразно, так как увеличивает продолжительность противофлокенной обработки.

Учитывая более низкую скорость диффузии в средне- и высоколегированных сталях по сравнению с малолегированными для удаления водорода до пределов, обеспечивающих отсутствие флокенов (не более 0,0002%), требуется выдержка 7-9 мин на 1 мм диаметра поковки, что соответствует диапазону исходного содержания водорода в стали перед ПФО (0,00035-0,00050%).

В случае уменьшения исходного содержания водорода в жидкой стали на 0,00001%, выдержка в печи может быть уменьшена на 0,3 минуты на 1 мм диаметра поковки.

Пример осуществления способа

1. В термической печи произведена термическая противофлокенная обработка поковки диаметром 550 мм из стали 40ХН. Исходное содержание водорода - 0,0005%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру 970°С, охлаждалась на воздухе в течение 7,5 часов до температуры 280°С. Затем поковка нагревалась в печи до 680°С в течение 5 часов с последующей выдержкой в течение 55 часов и охлаждением до температуры 250°С со скоростью 20°С в час в течение 21 часа. Таким образом, общее время обработки с учетом охлаждения на воздухе перед ПФО составила 88,5 часа. Процесс ПФО и результаты испытаний приведены в таблице. Как видно, предлагаемый способ обеспечивает сокращение времени ПФО по сравнению с известным на 84,5 час. При этом содержание водорода в поковке снижается с 0,0005 до 0,0002%, что исключает образование флокенов.

2. В термической печи произведена термическая противофлокенная обработка поковки диаметром 600 мм из стали 35Х2Н4М. Исходное содержание водорода 0,0004%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру 960°С, охлаждалась на воздухе в течение 7,5 часов до температуры 260°С. Затем поковка нагревалась в печи до 680°С в течение пяти часов с последующей выдержкой в течение 30 часов и далее охлаждалась до 250°С в течение семи часов. Скорость промежуточного переохлаждения составляла 61°С в час. Далее производился повторный нагрев до 680°С в течение восьми часов. Скорость нагрева составляла 54°С в час. Время повторной выдержки при 680°С составляла 30 часов. Далее поковка охлаждалась до температуры 250°С со скоростью 20°С в час в течение 21 часа. Общее время ПФО составило 108,5 часа.

Процесс ПФО и результаты испытаний приведены в таблице. Предлагаемый способ обеспечивает сокращение времени ПФО по сравнению с известным на 114,5 час. При этом содержание водорода в поковке снижается с 0,0004 до 0,0002%, что исключает образование флокенов. Пропорционально сокращению времени ПФО увеличивается производительность печи и сокращается расход топлива на обработку единицы массы продукции.

Предлагаемый способ термической противофлокенной обработки поковок с изменением выдержки в печи в зависимости от диаметра и исходного содержания водорода в металле позволяет, не ухудшая качество поковок, существенно сократить продолжительность ПФО за счет оптимизации времени обработки в зависимости от диаметра поковки и фактического содержания водорода в металле. Это позволит повысить производительность термических печей и сократить расход топлива на термообработку единицы продукции.

ТаблицаПараметрыСпособ известныйСпособ предлагаемыйМарка сталиСталь перлитного класса (типа 40ХН)Сталь мартенситного класса (типа 35Х2Н4М)Сталь перлитного класса (типа 40ХН)Сталь мартенситного класса (типа 35Х2Н4М)Температура поковки после ковки, °С970970970960Содержание водорода, %0,00050,00050,00050,0004Накопление в печи перед ПФО, час.2020нетнетОхлаждение на воздухе перед ПФО, час.нетнет7,57,5Температура ПФО, °С680680680680Время нагрева до температуры ПФО, час--55Время выдержки при 680°С, час1702205530Время переохлаждения до 250°С, час---7,0Время нагрева до 680°С. час---8,0Время 2-й выдержки при 680°С, час---30Общее время выдержки, час.1702206080Время охлаждения, час.332121Общее время обработки, час.17322388,5108,5Содержание водорода после ПФО, %0,00020,00020,00020,0002

Источники информации

1. Сергеева Т.К. и др. Поведение водорода в стали 38ХНМФА при разных схемах противофлокенной термической обработки. - Металлы, 1996, № 1, с.74-79.

2. Башнин Ю.А. и др. Термическая обработка крупногабаритных изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах. - М.: Металлургия, 1985, с.72, 73, рис.39б.

3. Поволоцкий Д.Я. и др. Водород и флокеин в стали. - М.: Металлургия, 1959, с.182.

4. Клюев П.В. Содержание водорода и флокеночувствительность при изготовлении крупногабаритных поковок. - Свердловск, НИИТяжмаш, 1961, с.31-46.

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии проведения противофлокенной термической обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых, а также мало- и среднелегированных марок сталей. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является сокращение продолжительности термической обработки за счет учета фактического содержания водорода в исходном металле и диаметра поковки. Для решения поставленной задачи осуществляют нагрев в печи поковок после ковки до температуры 660...700°С, выдержку их при этой температуре с последующим охлаждением до температуры 240...260°С, при этом предварительно перед нагревом поковок в печи их охлаждают на воздухе до температуры 250...350°С, а выдержку в печи производят в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле, после чего охлаждение поковки производят со скоростью 5...20°С/ч. Продолжительность выдержки поковок в печи составляет 5...7 минут на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода 0,00035...0,00050% (3,5...5 см³/100 г), при этом выдержку поковок в печи уменьшают на 0,35 минут на 1 мм диаметра поковки при снижении исходного содержания водорода в металле на 0,00001%. При обработке средне- и высоколегированных конструкционных сталей выдержку в печи поковок производят с промежуточным переохлаждением до температуры 200...300°С в середине выдержки, при этом скорость охлаждения не регламентируют, а продолжительность выдержки составляет 7...9 минут на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода в металле 0,00035...0,00050% (3,5...5 см³/100 г) и уменьшают на 0,45 минут на 1 мм диаметра поковки при снижении содержания исходного водорода в металле на 0,00001%. Способ термической противофлокенной обработки поковок с изменением выдержки в печи в зависимости от диаметра и исходного содержания водорода в металле позволяет, не ухудшая качество поковок, существенно сократить продолжительность ПФО за счет оптимизации времени обработки в зависимости от диаметра поковки и фактического содержания водорода в металле. Это позволит повысить производительность термических печей и сократить расход топлива на термообработку единицы продукции. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение после ковки на воздухе до температуры 250-350°С, нагрев поковок в печи, выдержку при этой температуре и их охлаждение, отличающийся тем, что нагрев поковок в печи ведут до 660-700°С, выдержку проводят с продолжительностью в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле, а охлаждение поковок осуществляют со скоростью 5-20°С/ч до 240-260°С.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжительность выдержки поковок в печи составляет 5-7 мин на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода 0,00035...0,00050%.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжительность выдержки поковок в печи уменьшают на 0,35 мин на 1 мм диаметра поковки при снижении исходного водорода в металле на 0,00001%.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдержку в печи поковок из средне- и высоколегированных конструкционных сталей производят с промежуточным переохлаждением на воздухе до температуры 200-300°С в середине выдержки.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что продолжительность выдержки поковок в печи составляет 7-9 мин на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода в металле 0,00035-0,00050%.6. Способ по п.4, отличающийся тем, что продолжительность выдержки поковок в печи уменьшают на 0,45 мин на 1 мм диаметра поковки при снижении содержания исходного водорода в металле на 0,00001%.