СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОТИВОФЛОКЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОКОВОК Российский патент 2010 года по МПК C21D3/06 

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии термической противофлокенной обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых и легированных сталей.

Известен способ термической противофлокенной обработки поковок для снижения содержания водорода в стали, включающий ковку, охлаждение поковок на воздухе, нагрев в печи, выдержку при этой температуре и охлаждение [1]. Недостатком такого способа является большая продолжительность противофлокенной обработки.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение после ковки на воздухе до температуры 523…623К, нагрев поковок в печи, выдержку в зависимости от диаметра поковок и исходного содержания водорода в металле и охлаждение в печи до температуры 513…533К [2].

Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа является большая продолжительность противофлокенной обработки в печи.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является сокращение продолжительности термической обработки в печи за счет удаления части водорода из поковок вне печи в термосах замедленного охлаждения.

Поставленная задача достигается за счет того, что предлагается способ термической противофлокенной обработки (ПФО) поковок, состоящий из охлаждения поковок после ковки, нагрева в печи до 923…1103К с изотермической выдержкой для удаления водорода и охлаждения после обработки, при этом после термообработки в печи охлаждение поковок производят в термосах замедленного охлаждения со скоростью 10…15 К/час, причем после ковки поковки охлаждают до температуры 473…773К со скоростью 80…120 К/час, при этом сокращение продолжительности обработки в печи определяют по уравнению

Здесь Δτ_печ - эквивалентное время ПФО для охлаждения поковок в термосе после обработки в печи, час;

где Т₀=923…1103К - температура нагрева поковок в печи;

Wn=10…15 К/час - скорость охлаждения поковок в термосах после термообработки в печи.

Для более полного удаления водорода из поковок и высвобождения термической печи поковки после ковки дополнительно помещают в термоса замедленного охлаждения и охлаждают со скоростью 12…17 К/час до температуры 473…773К, при этом сокращение продолжительности термообработки в печи определяют по уравнению

Здесь Δτ_к - эквивалентное время ПФО для охлаждения поковок в термосе после ковки, час,

где Т_к=1123…1223К - температура конца ковки;

Т_пр=933…953К- температура превращения высокотемпературной γ-фазы в ферритно-перлитную структуру;

W_к=80…120 К/ч - скорость охлаждения поковок в термосах после ковки.

При противофлокенной обработке в печи поковок мелкого сечения температуру в печи кратковременно увеличивают до 1023…1103К, при этом для определения эквивалентного времени ПФО Δт_п при охлаждении поковок в термосах температуру нагрева поковок в печи принимают Т₀=923…953К.

Продолжительность перегрева поковок в печи в конце противофлокенной обработки до 1023…1103К составляет 15…45 мин, при этом диаметр поковок не превышает 500 мм.

Скорость охлаждения поковок на воздухе зависит от их массы и диаметра и составляет 80…120 К/час. Поковки мелкого сечения диаметром 400 мм и менее охлаждают на воздухе со скоростью 110…120 К/час, поковки крупного сечения диаметром 500 мм и более - со скоростью 80…90 К/час.

Охлаждение поковок после ковки в термосах замедленного охлаждения со скоростью 12…17 К/час и после противофлокенной обработки в печи со скоростью 10…15 К/час обусловлено тем, что при скорости охлаждения больше 17 К/час уменьшается эффективность удаления водорода из поковок, а скорость охлаждения меньше 10 К/час приводит к чрезмерному увеличению длительности технологического процесса производства поковок.

Охлаждение поковок после ковки в термосах до температуры 473…773К обусловлено необходимостью полного протекания процессов распада аустенита. При температуре более 773К в структуре поковок возможно сохранение участков аустенита, растворимость водорода в которых существенно выше, чем в феррите, что в дальнейшем может привести к образованию флокенов. Так же, при завершении охлаждения в термосах при более высокой температуре после ковки появляется возможность начинать нагрев в печи для термообработки с этой (более высокой) температуры. Переохлаждение до температуры менее 473К приводит к возникновению значительных термических напряжений в поковках и, как следствие, к возможности образования трещин.

Кратковременное увеличение температуры в термической печи в конце противофлокенной обработки поковок мелкого сечения необходимо для компенсации теплопотерь в связи с охлаждением поковок при переносе из термической печи в термос. Так как снижение температуры поверхности при переносе поковок мелкого сечения составляет 100…150К, то для обеспечения начальной температуры поковок в термосе замедленного охлаждения 923…953К, температура поковки на выходе из термической печи должна быть 1023…1103К.

Этот перегрев необходим для компенсации потерь тепла только поковок достаточно мелкого сечения (менее 500 мм), так как эти поковки имеют большую удельную поверхность и быстро охлаждаются на воздухе во время транспортировки.

Продолжительность перегрева поковок в термической печи до 1023…1103К составляет 15…45 мин. При нагреве менее 15 мин из-за тепловой инерционности системы нагревается поверхность поковки, а ее центральные зоны не успевают прогреться до необходимой температуры. Перегрев поковок в печи дольше 45 мин нерационален, так как с одной стороны увеличивает время задолженности печи, а с другой - имеется опасность появления аустенита в центральных зонах поковки.

Общую продолжительность ПФО поковок в печи т_полн определяют [2, 3] как время, необходимое для диффузионного выделения водорода из металла от начального содержания до безопасного в отношении образования флокенов при соответствующей температуре.

Очевидно, что при охлаждении поковок в термосах их температура изменяется и удаление водорода из металла протекает в неизотермических условиях. Для того чтобы определить, какое количество водорода при этом удаляется из металла и на сколько за счет этого можно сократить ПФО в печи, использовали величину Δτ - эквивалентную длительности изотермического отжига, обеспечивающую такое же уменьшение концентрации водорода в стали, как и при непрерывном охлаждении от температуры Т₀ со скоростью W.

Так как удаление водорода из металла при изотермических условиях зависит только от параметра D_Hτ [3, 4], где D_H=D₀e^-U/RT - коэффициент диффузии водорода, τ - длительность отжига, то при замедленном охлаждении вне печи, например, в теплоизолирующих термосах, поковка охлаждается от температуры Т₀ до температуры T₁ со скоростью W. Ввиду того, что при охлаждении температура зависит от времени (dτ=-dT/W), то параметр D_Hτ следует заменить на

Вводя новую переменную Z=T₀/T, преобразуем интеграл (1) к виду интегральной показательной функции второго порядка [5]

где m=U_α/RT₀.

Выразив эффект выделения водорода в ходе охлаждения через эквивалентную длительность изотермического отжига, обеспечивающего такое же уменьшение водорода в стали, как и при непрерывном охлаждении от температуры Т₀ до T₁.

после подстановки (1) в (3), получим

где

Здесь индекс α означает, что железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (α-Fe).

Оценив коэффициент β по выражению 5 при Т₀=923…953К; T₁=295K; U_α=9545 Дж/моль [6]; R=8,314 Дж/моль·К и

где р_с - содержание углерода в стали, %; получим

Если же термосы используются для замедленного охлаждения поковок непосредственно после ковки, то нужно учитывать, что в интервале температур от Т₂ - начала охлаждения (или конца ковки) до температуры превращения аустенита Т_пр, диффузия водорода из объема к поверхности происходит в γ-фазе, где U_γ=49700 Дж/моль [6] и а между температурой Т_пр и температурой окончания охлаждения Т_к - в ферритно-перлитной структуре. Поэтому после интегрирования уравнения 1 в пределах от Т₂ до Т_к эквивалентная длительность отжига составит

где

После подстановки указанных численных значений U_α, U_γ, T₂, Т_пр≈923К в уравнения 8 и 9 выражение 7 приобретает вид

По уравнению 10 можно определить эквивалентное время ПФО для охлаждения поковок после ковки на воздухе или в термосе, а по уравнению 6 - в термосе после термообработки в печи.

Примеры осуществления предлагаемого способа.

1. В термической печи производится термическая противофлокенная обработка (ПФО) поковки из стали 40ХГМ диаметром 600 мм. Исходное содержание водорода - 0,0004%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру Т₂=900°С (1173К), охлаждается на воздухе со скоростью W₁=80 К/час до температуры 270°С (543К). При этом при температуре Т_пр=680°С (953К) происходит превращение аустенита в ферритно-перлитную структуру, которая сохраняется до завершения охлаждения Т_к=270°С (543К).

Из соотношения (10) найдем, что сокращение длительности отжига равно

2. В термической печи производится термическая противофлокенная обработка (ПФО) поковки из стали 40ХГМ диаметром 600 мм. Исходное содержание водорода - 0,0004%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру Т₂=900°С (1173К) охлаждается на воздухе со скоростью W₁=80 К/час до температуры 270°С (543К). При этом при температуре Т_пр=680°С (953К) происходит превращение аустенита в ферритно-перлитную структуру, которая сохраняется до завершения охлаждения Т_к=270°С (543К).

Из соотношения (10) найдем, что сокращение длительности отжига равно

Затем поковка помещается в печь, нагревается до температуры Т₀=680°С (953К) и после ПФО поковка помещается в термос замедленного охлаждения, где охлаждается до температуры T₁=20°C (293К) со скоростью W=12 К/час. По уравнению 6 найдем, что сокращение длительности отжига составит

Таким образом, общее время обработки поковок в печи сократится на

При этом содержание водорода в поковке снижается с 0,0004% до 0,0002%, что исключает образование флокенов.

3. В термической печи производится термическая противофлокенная обработка (ПФО) поковки из стали 40ХГМ диаметром 600 мм. Исходное содержание водорода - 0,0004%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру Т₂=900°С (1173К), дополнительно охлаждается в термосе замедленного охлаждения со скоростью W₁=14 К/час до температуры 270°С (543К). При этом при температуре Т_пр=680°С (953К) происходит превращение аустенита в ферритно-перлитную стуктуру, которая сохраняется до завершения охлаждения в термосе Т_к=270°С (543К). Из соотношения (10) найдем, что сокращение длительности отжига равно

Затем поковка помещается в печь и нагревается до Т₀=680°С (953К). После ПФО поковка помещается в термос замедленного охлаждения, где охлаждается до температуры T₁=20°C (293K) со скоростью W=12 К/час. По уравнению 6 найдем, что сокращение длительности отжига составит

Таким образом, общее время обработки поковок в печи сократится на

При этом содержание водорода в поковке снижается с 0,0004% до 0,0002%, что исключает образование флокенов.

4. В термической печи производится термическая противофлокенная обработка (ПФО) поковки из стали 40ХГМ диаметром 400 мм. Исходное содержание водорода - 0,0004%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру Т₂=900°С (1173К) охлаждается на воздухе со скоростью W₁=120 К/час до температуры 270°С (543К). В условиях охлаждения аустенит превращается в ферритно-перлитную структуру при Т_пр=680°С (953К). Из соотношения (10) найдем, что сокращение длительности отжига составит

Затем поковка помещается в печь и нагревается до температуры Т₀=690°С (953К). За 30 мин до окончания термообработки температуру в печи повышают до 1023К. Затем поковка помещается в термос замедленного охлаждения, где охлаждается до температуры Т₁=20°С (293К) со скоростью W=14 К/час. По уравнению 6 найдем, что сокращение длительности отжига составит

Таким образом, общее сокращение обработки поковок в печи составит

При этом содержание водорода в поковке снижается с 0,0004% до 0,0002%, что исключает образование флокенов.

5. В термической печи производится термическая противофлокенная обработка (ПФО) поковки из стали 40ХГМ диаметром 400 мм. Исходное содержание водорода - 0,0004%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру Т₂=900°С (1173К), дополнительно охлаждается в термосе замедленного охлаждения со скоростью W₁=16 K/час до температуры 270°С (543К). В условиях охлаждения аустенит превращается в ферритно-перлитную структуру при Т_пр=680°С (953К). Из соотношения (10) найдем, что эквивалентная длительность отжига составит

Затем поковка помещается в печь и нагревается до температуры Т₀=690°С (953К) и выдерживается в течение времени τ. За 30 мин до окончания термообработки температуру в печи повышают до 1023К. После ПФО поковка помещается в термос замедленного охлаждения, где охлаждается до температуры Т₁=20°С (293К) со скоростью W=14 К/час. По уравнению 6 найдем, что эквивалентная длительность отжига составит

Таким образом, общее сокращение времени обработки поковок в печи составит

при этом содержание водорода в поковке снижается с 0,0004% до 0,0002%, что исключает образование флокенов.

Предлагаемый способ термической противофлокенной обработки поковок с охлаждением после ковки и термической обработки в термосах замедленного охлаждения и дополнительно после ковки позволяет, не ухудшая качества поковок, существенно сократить продолжительность ПФО в печи. Это позволяет повысить производительность термических печей и сократить расход топлива на термообработку единицы продукции.

Источники информации, принятые во внимание

1. Башнин Ю.А. и др. Термическая обработка крупногабаритных изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах. М.: Металлургия, 1985, с.72.

2. Патент РФ №2252268 Способ термической противофлокенной обработки поковок. Опубл. 20.05.2005. Бюл. №14.

3. Мирзаев Д.А., Токовой О.К., Воробьев Н.И. и др. К вопросу об удалении водорода при термической обработке крупных поковок. Металлы, 2006, №1, с.44-47.

4. Астафьев А.А. Диффузия и выделение водорода из стали. Металловедение и термическая обработка металлов, 1991, №2, с.5-8.

5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984, с.730-737.

6. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1974, 272 с.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии термической обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых и легированных сталей для удаления флокенов. Для сокращения продолжительности обработки после ковки поковки охлаждают до 473-773К в термосе замедленного охлаждения со скоростью охлаждения 12-17 К/час или на воздухе со скоростью - 80-120 К/час, при этом сокращение продолжительности нагрева в печи определяют по уравнению: Δτ_к=0,07Т_к/W_к+0,28Т_пр/W_к, где Δτ_к - эквивалентное время противофлокенной обработки при охлаждении поковок после ковки, час; Т_к=1123-1223К - температура конца ковки; Т_пр=933-953К - температура превращения γ-фазы в ферритно-перлитную структуру, W_к - скорость охлаждения поковок после ковки, затем осуществляют нагрев поковки в печи до 923-1103К, изотермическую выдержку и охлаждение в термосе замедленного охлаждения со скоростью 10-15 К/час, при этом сокращение продолжительности термообработки в печи определяют по уравнению: Δτ_печ=(0,36-0,37)T₀/W_n, где Δт_печ - эквивалентное время противофлокенной обработки при охлаждении поковок в термосе после обработки в печи, час; Т₀=923-1103К - температура нагрева поковок в печи; W_n=10-15 K/ч - скорость охлаждения поковок в термосе. При обработке поковок диаметром, не превышающим 500 мм, за 15-45 мин до окончания обработки температуру в печи увеличивают до 1023-1103К, а при определении Δτ_печ температуру нагрева поковок принимают Т₀=923-953К. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение поковок после ковки, нагрев в печи до температуры 923-1103К с изотермической выдержкой для удаления водорода и охлаждение, отличающийся тем, что после ковки охлаждение поковок ведут до температуры 473-773К на воздухе со скоростью 80-120 К/ч или в термосе замедленного охлаждения со скоростью 12-17 К/ч, при этом сокращение продолжительности нагрева в печи определяют по уравнению:
Δτ_к=0,07T_к/W_к+0,28Т_пр/W_к,
где Δτ_к - эквивалентное время противофлокенной обработки при охлаждении поковок после ковки, ч;
Т_к=1123-1223К - температура конца ковки;
Т_пр=933-953К - температура превращения высокотемпературной γ-фазы в ферритно-перлитную структуру;
W_к - скорость охлаждения поковок на воздухе после ковки, охлаждение поковок после обработки в печи осуществляют в термосе замедленного охлаждения со скоростью 10-15 К/ч, при этом сокращение продолжительности термообработки в печи определяют по уравнению:
Δτ_печ=(0,36-0,37)T₀/W_n,
где Δτ_печ - эквивалентное время противофлокенной обработки при охлаждении поковок в термосе после обработки в печи, ч;
T₀=923-1103K - температура нагрева поковок в печи;
W_n=10-15 K/ч - скорость охлаждения поковок в термосе после обработки в печи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нагреве поковок мелкого сечения за 15-45 мин до окончания обработки температуру в печи увеличивают до 1023-1103К, при этом для определения эквивалентного времени противофлокенной обработки Δτ_печ при охлаждении поковок в термосе температуру нагрева поковок в печи принимают Т₀=923-953К.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметр поковок, нагреваемых в печи до 1023-1103К в конце обработки, не превышает 500 мм.