Способ термической обработки поковок из конструкционно-легированной стали марки 4340 (варианты) Российский патент 2025 года по МПК C21D1/25 C21D1/02 C21D6/00 

Изобретение относится к области термической обработки среднеуглеродистой низколегированной стали и может быть использовано при термической обработке стальных поковок, которые могут быть использованы при изготовлении нефтегазодобывающего, нефтехимического оборудования и в других областях, где необходима повышенная стойкость к ударному износу при отрицательных температурах.

По патенту RU 2643119 известен способ деформационно-термической обработки заготовок из высокомарганцевой стали, включающий получение слитка из стали, содержащей марганец, алюминий, углерод с эффектом пластичности, наведенной двойникованием, гомогенизационный отжиг и горячую прокатку, отличающийся тем, что получают слиток размером 140×140×140 мм³, осуществляют гомогенизационный отжиг слитка в печи при температуре 950-1150°С в течение 2-8 ч, затем при упомянутой температуре проводят многократную горячую ковку с суммарной истинной степенью деформации не менее ε=1,2 в три ступени: 140 мм → 100 мм, 100 мм → 70 мм, 70 мм → 50 мм, полученную поковку подвергают повторному гомогенизационному отжигу в печи при температуре 950-1150°С в течение 2-8 ч и последующей горячей прокатке в интервале температур от 500 до 1150°С в 5 проходов с суммарной истинной степенью деформации не менее ε=2, при этом после горячей прокатки осуществляют гомогенизационный отжиг в течение 1-2 часов при температуре 950-1150°С, а затем двустороннюю ковку в условиях теплой деформации при температуре 400-600°С до истинной степени деформации не менее ε=3. Двустороннюю ковку проводят в интервале температур от 400 до 600°C с последующим охлаждением в воде. Двустороннюю ковку проводят в интервале температур от 400 до 600°C с последующим охлаждением в масле. Двустороннюю ковку проводят в интервале температур от 400 до 600°C с последующим охлаждением на воздухе.

Недостатком известного способа является сложность его осуществления.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является известный по патенту RU 2508410 способ термической обработки деформируемой коррозионно-стойкой стали 14X17H2, нагрев стали под закалку при температуре 1040-1050°C, охлаждение в масле, двукратный отпуск с охлаждением в воде после каждого отпуска, причем нагрев при первом отпуске ведут при температуре 600-610°C.

Недостатками известного способа являются низкая прочность изделий, получаемых при его осуществлении, в частности, высокая хрупкость и низкая работа удара при низких температурах, в частности, ниже 40°С.

Задачей заявленного изобретения является создание способа производства поковок из конструкционно-легированной стали с механическими свойствами, соответствующими требованиям, применяемым в компонентах системы подводной добычи углеводородов, как показано в Таблице 1.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение прочностных свойств стальных изделий и повышение уровня работы удара при температуре испытаний ниже 40°.

Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа термической обработки поковок из конструкционно-легированной стали марки 4340, включающем закалку, выдержку и охлаждение в масле и воде, согласно первому варианту изобретения, закалку осуществляют при температуре 860-880°C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки, затем производят охлаждение в масле в течение не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С, после чего осуществляют отпуск при температуре 510-560°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки, после чего осуществляют охлаждение в воде не менее 20-25 мин, пока температура поверхности металла не станет ниже 50°C, при этом температура воды в закалочном баке не более 20-25°C на старте, температура воды на финише не более 40°C, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе.

Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа термической обработки поковок из конструкционно-легированной стали марки 4340, включающего закалку, выдержку и охлаждение в масле и воде, согласно второму варианту изобретения, закалку осуществляют при температуре 860-880°C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки, затем производят охлаждение в масле в течение не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С, после чего осуществляют первый отпуск при температуре 510-560°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки с последующим охлаждением на воздухе, пока температура поверхности металла не станет ниже 300°C, после чего осуществляют второй отпуск при температуре 490-530°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки, после чего осуществляют охлаждение в воде не менее 20-25 мин, пока температура поверхности металла не станет ниже 50°C, при этом температура воды в закалочном баке не более 20-25°C на старте, температура воды на финише не более 40°C, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе.

Интервал температур при закалке, согласно первому и второму вариантам изобретения, - 860-880°C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки является оптимальным для устранения карбидной сетки по границам зерен, что способствует коагуляции мелких и средних карбидных частиц внутри зерна без их растворения. Поддержание данного интервала температур и времени выдержки позволяет избежать как роста зерна, так и недогрева стали.

Интервал времени, согласно первому и второму вариантам изобретения, при охлаждении в масле не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С является оптимальным для образования структуры, состоящей из сорбита и мелкодисперсных включений карбидов округлой формы внутри зерен.

Отпуск, согласно первому и второму вариантам изобретения, при температуре 510-560°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки является оптимальным для общей стабилизации структуры в стали, что позволяет увеличить работу удара.

Охлаждение после отпуска в воде, согласно первому и второму вариантам изобретения, не менее 20-25 мин, пока температура поверхности металла не станет ниже 50°C, при этом температура воды в закалочном баке не более 20-25°C на старте, температура воды на финише не более 40°C способствует уменьшению отпускной хрупкости, что позволяет увеличить работу удара.

Заявленный способ по первому варианту изобретения рекомендуется использовать для поковок при термической обработке поковок сечением до 250 мм. Заявителем экспериментально выяснено, что последовательность действий является достаточной для достижения поковками вышеуказанного сечения категории прочности KSI 110 и механических свойств, указанных в Таблице 1. После термообработки были получены поковки, имеющие плотную однородную структуру из сорбита с мелкодисперсными включениями карбидов округлой формы внутри зерен.

Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей, называют улучшением.

Сталь 4340 относится к сталям перлитного класса. Для нее характерны два критических температурных перехода: Ас1 = 730°С и Ас3 = 820°С. Доэвтектоидную сталь, как правило, подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура Ас3 + (30-50°С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и соответственно после охлаждения - мелкозернистого мартенсита. Зерна аустенита образуются на границе фаз феррита и цементита. При этом помимо растворения цементита в аустените происходит еще и аллотропное модифицирование раствора железа α в раствор железа γ. Поскольку процесс растворения цементита происходит медленнее, нежели образование аустенитных кристаллов, то по достижении закалочных температур необходима некоторая выдержка.

При дальнейшем охлаждении в воде, благодаря очень высокой скорости охлаждения (превышающей Vкр), происходит образование структуры мелкозернистого мартенсита. Это не что иное, как пересыщенный твердый раствор углерода в железе α.

Поскольку мартенсит представляет собой очень твердую структуру, то, как правило, на поверхности закаленной детали образуются очень сильные остаточные напряжения. Это может привести к образованию трещин, сколов и прочих хрупких разрушений. Во избежание этого после закалки проводят процедуру отпуска. Именно после закалки и отпуска при 450-650°С. Исходная структура-мартенсит закалки, температура отпуска tотп = 450-650°C. При повышении температуры активизируется диффузия. Диффузия углерода при такой температуре достаточна для превращения мартенсита в перлитную структуру, но не достаточна для перемещения углерода на большие расстояния. В итоге образуется смесь феррита и цементита.

3 этапа отпуска:

1) Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного ε-карбида. Первое превращение идет с очень маленькой скоростью и без нагрева.

2) Продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит, и начинается карбидное превращение. Распад мартенсита распространяется на весь объем. Начинается превращение ε-карбида в цементит.

3) Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Мартенсит переходит в феррит. Далее при дальнейшем нагреве ферритно-карбидная смесь меняет форму, размер карбидов и структуру феррита. Диффузия происходит интенсивнее, чем в случае среднетемпературного отпуска, атомы углерода смещаются на большее расстояние, увеличиваются размеры кристаллов феррита и цементита. Такая структура называется сорбит отпуска.

Продолжительность выдержки при отпуске устанавливают с таким расчетом, чтобы обеспечить стабильность свойств стали. Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет 1-2 часа для деталей небольшого сечения.

Изобретение по первому варианту можно проиллюстрировать следующим примером:

Поковки из конструкционно-легированной стали 4340 сечением до 250 мм в виде колец толщиной 180 мм нагревали до температуры закалки 860-880°С, время выдержки поковок при температуре закалки составило 4-5 ч. После нагрева и выдержки поковки охлаждали в масле не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С.

После этого поковки отпускали при температуре 540-545°С, время выдержки поковок при температуре отпуска 5-6 ч, охлаждение в воде не менее 20-25 мин, пока температура поверхности металла не станет ниже 50°C, дальнейшее охлаждение на воздухе. Температура воды в закалочном баке не более 20-25°C на старте, температура воды на финише не более 40°C.

Углеродистые стали охлаждаются на воздухе, а хромистые, марганцовистые, хромокремниевые - в воде, так как медленное охлаждение их приводит к отпускной хрупкости. При таком отпуске почти полностью ликвидируются закалочные напряжения, увеличивается пластичность и вязкость, хотя заметно уменьшается твердость и прочность стали. Закалка с высоким отпуском по сравнению с отжигом создает наилучшее соотношение между прочностью стали и ее вязкостью.

Механические свойства проверяли на образцах, вырезанных из тела поковки в двух направлениях, вдоль и поперек направления ковки.

Как видно из Таблицы 2, конструкционная легированная сталь 4340 после термической обработки по изобретению имеет полный комплекс требуемых механических свойств наряду с высокой работой удара. Таким образом, способ термической обработки поковок деталей из конструкционно-легированной стали 4340 обеспечивает достижение поставленной задачи и технического результата.

Заявленный способ по второму варианту изобретения рекомендуется использовать для поковок при термической обработке поковок сечением до 150 мм. Заявителем экспериментально выяснено, что в силу небольшого сечения и, соответственно, более быстрого нагрева и потери температуры такими поковками, для достижения ими категории прочности KSI 110 и механических свойств, указанных в Таблице 1, следует после первого отпуска осуществлять охлаждение на воздухе и второй отпуск при температуре 490-530°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки для снижения закалочных напряжений.

Изобретение по второму варианту можно проиллюстрировать следующим примером:

Поковки из конструкционно-легированных сталей 4340 сечением до 150 мм в виде колец толщиной 98 мм нагревали до температуры закалки 860-880°С, время выдержки поковок при температуре закалки составило 3-4 ч. После нагрева и выдержки поковки охлаждали в масле не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С.

После этого поковки отпускали при температуре 530°С и 510°С, время выдержки поковок при температуре отпуска 5-6 ч охлаждение на воздухе, пока температура поверхности металла не станет ниже 300°C.

После термообработки были получены поковки, имеющие плотную однородную структуру из сорбита с мелкодисперсными включениями карбидов округлой формы внутри зерен.

Механические свойства проверяли на образцах, вырезанных из тела поковки в двух направлениях, вдоль и поперек направления ковки.

Как видно из Таблицы 3, конструкционная легированная сталь 4340 после термической обработки по изобретению имеет полный комплекс требуемых механических свойств наряду с высокой работой удара. Таким образом, способ термической обработки поковок деталей из конструкционно-легированной стали 4340 обеспечивает достижение поставленной задачи и технического результата.

Возможности применения заявленных вариантов осуществления способа не исчерпываются вышеуказанными примерами.

Таблица 1

Механические свойства

Марка стали Прочность, кгс/мм² Текучесть, кгс/мм² Соотношение текучести к прочности Удлинение, % Сужение, % Работа удара, КСV^-20 Дж Твердость, НВ 4340 895 760 0,9 14 30 единичное 30, среднее 40 269-321

Таблица 2

Результаты испытаний по первому варианту изобретения

№ п/п Направление, место отбора образца Материал образца Предел прочности, σ_В, МПа Предел текучести, σ_0,2, МПа Относительное удлинение δ, % Относительное сужение Ψ, % Работа удара, KV^-20 Дж Твердость, HBW 1 2 3 4 5 6 7 8 9 по изобретению 1 продольный, ³/₄ Т 4340 957 808 18 54 42, 51,56 285 2 поперечный, ¹/₄ Т 934 790 17 49 41, 38,40 285 Требования
по Р015-D07-TТ-073 рев. С 895 760 15 30 ср. 40,0 ед. 30,0 269-321

Таблица 3

Результаты испытаний по второму варианту изобретения

№ п/п Направление, место отбора образца Материал образца Предел прочности, σ_В, МПа Предел текучести, σ_0,2, МПа Относительное удлинение δ, % Относительное сужение Ψ, % Работа удара, KV^-20 Дж Твердость, HBW 1 2 3 4 5 6 7 8 9 по изобретению 1 продольный, ³/₄ Т 4340 1092 993 19 50 60,70,67 341 2 поперечный, ¹/₄ Т 1083 981 18 61 59,57,61 321 Требования
по Р015-D07-TТ-073 рев. С 1035 965 10 30 ср. 40,0 ед. 30,0 311-352

Изобретение относится к области термической обработки конструкционно-легированных сталей и может быть использовано при термической обработке стальных поковок, которые могут быть использованы при изготовлении нефтегазодобывающего, нефтехимического оборудования и в других областях, где необходима повышенная стойкость к ударному износу. Cпособ термической обработки поковок из конструкционно-легированной стали марки 4340 включает осуществление закалки при температуре 860-880°C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки, затем производят охлаждение в масле в течение не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С, после чего осуществляют отпуск при температуре 510-560°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки, после чего осуществляют охлаждение в воде не менее 20-25 мин, пока температура поверхности металла не станет ниже 50°C, при этом температура воды в закалочном баке не более 20-25°C на старте, температура воды на финише не более 40°C, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе. Cпособ термической обработки поковок из конструкционно-легированной стали марки 4340 включает осуществление закалки при температуре 860-880°C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки, затем производят охлаждение в масле в течение не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С, после чего осуществляют первый отпуск при температуре 510-560°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки с последующим охлаждением на воздухе, пока температура поверхности металла не станет ниже 300°C, после чего осуществляют второй отпуск при температуре 490-530°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки, после чего осуществляют охлаждение в воде не менее 20-25 мин, пока температура поверхности металла не станет ниже 50°C, при этом температура воды в закалочном баке не более 20-25°C на старте, температура воды на финише не более 40°C, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение прочностных свойств стальных изделий и повышение уровня работы удара при температуре испытаний ниже 40°C. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ термической обработки поковок из конструкционно-легированной стали марки 4340, включающий закалку, выдержку и охлаждение в масле и воде, отличающийся тем, что закалку осуществляют при температуре 860-880°C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки, затем производят охлаждение в масле в течение не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С, после чего осуществляют отпуск при температуре 510-560°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки, после чего осуществляют охлаждение в воде не менее 20-25 мин, пока температура поверхности металла не станет ниже 50°C, при этом температура воды в закалочном баке не более 20-25°C на старте, температура воды на финише не более 40°C, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе.

2. Способ термической обработки поковок из конструкционно-легированной стали марки 4340, включающий закалку, выдержку и охлаждение в масле и воде, отличающийся тем, что закалку осуществляют при температуре 860-880°C со временем выдержки 1,8 ч на каждые 100 мм толщины поковки, затем производят охлаждение в масле в течение не менее 40-50 мин с температурой масла на старте в закалочном баке не более 35°С, после чего осуществляют первый отпуск при температуре 510-560°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки с последующим охлаждением на воздухе, пока температура поверхности металла не станет ниже 300°C, после чего осуществляют второй отпуск при температуре 490-530°C в течение 2,5-3 ч на каждые 100 мм толщины поковки, после чего осуществляют охлаждение в воде не менее 20-25 мин, пока температура поверхности металла не станет ниже 50°C, при этом температура воды в закалочном баке не более 20-25°C на старте, температура воды на финише не более 40°C, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе.