Способ термоциклической обработки изделия Советский патент 1992 года по МПК C21D11/00 C21D1/78 

Изобретение относится к термической обработке изделий, работающих в условиях циклического нагружения, а более конкретно опорных валков и другого оборудования тяжелого машиностроения из сталей с существованием перлитной области распада аус- тенита, таких как 9ХФ, 40ХН и др. Изобретение может быть использовано для повышения надежности изделий, типа опорных валков, работающих в условиях ударных нагрузок.

Известен способ управления термической обработкой в зависимости от величины электрического сопротивления. Повышение качества закалки достигают изменяя скорость охлаждения в зависимости от величины электрического сопротивления, при этом момент появления троостита определяют по изменению знака первой производной изделия во времени.

Недостаток способа состоит в том, что изменение электросопротивления зависит не только от типа возникающих при охлаждении структур, но и при отклонении структуры сплава в сторону изменения дисперсности, химического состава образующихся фаз. При таких видах термической обработки как термоциклирование, изменяется размер зерна от цикла к циклу, возможно изменение и состава выделяющихся фаз из-за изменения состава аустенита вследствие увеличения степени его легиро- ванности при растворении карбидов. Поэтому данные по электросопротивлению не могут надежно контролировать протекание превращения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ термической обработки изделий, по которому изделие после индукционного нагрева до температуры аустенизации подвергается импульсному охлаждению, нагрев и охлаждение проводят циклически, при этом нагрев осуществляют в интервале Асз-Aci с постепенно снижающейся температурой, температура нагрева каждого последующего цикла определяется из формулы

Асз - Act

Ti Асз -

0-1)

I

VI

00

ю ю

4 О

СО

где п - число циклов;

i - порядковый номер цикла,

а импульсное охлаждение проводят до остижения температуры в центре изделия интервале Мп +175°С. Число циклов нагрева и количество импульсов охлаждения между циклами не менее трех.

Недостатками известного способа явяются невозможность при импульсном охаждении получать в массивных изделиях, например, в прокатных валках, однородную труктуру сорбита, а тем более троостита по всему сечению нагретого слоя, так как неизбежно возникает и перлит; сортамент изделий, для которых известный способ обработки эффективен, ограничен преимущественно трубами и подобными им изделиями; нагрев в интервале Асз-Aci не гарантирует полное отсутствие феррита в структуре, в то время как феррит снижает прочность тяжелонагруженных изделий.

Цель изобретения - получение высокой прочности и ударной вязкости рабочего слоя тяжелонагруженных изделий путем предотвращения образования перлита.

Для достижения поставленной цели согласно способу регулирования структуры превращения в стали, включающему индукционный нагрев выше Асз и охлаждение сжатым воздухом до температуры выше Мн по всей толщине нагретого слоя, нагрев и охлаждение ведут циклически, число термоциклов 3-6, скорость охлаждения между циклами подбирают так, чтобы при охлаждении изделия ход кривых зависимости температуры от времени охлаждения был плавный в перлитной области, при такой скорости охлаждения не выделяется феррит в доэвтектоидных стаях и не образуется перлит, аустенит переохлаждается в тро- остобейнитную область.

Нагрев выше Асз гарантирует полноту а - у превращения, более полное растворение избыточных фаз, вследствие чего аустенит становится более устойчивым, что способствует получению дисперсных структур (троосто-бейнит) по всей толщине нагретого слоя, в конечном итоге обеспечивает измельчение зерна до 11-12 номера и как следствие высокие значения твердости (прочности), ударной вязкости. Так как при термоциклической обработке зерно измельчается от цикла к циклу, а мелкое зерно ускоряет превращение, то скорость охлаждения, при которой аустенит переохлаждается в троосто-бейнитную область в первом цикле меньше, чем во втором и т.д., поэтому в каждом термоцикле необходимо контролировать и при необходимости увеличивать скорость охлаждения для предотвращения образования перлита, что

обеспечивает эффективность термоциклической обработки и высокие механические свойства.

Пример 1. Исследование проводили

на цилиндрических образцах диаметром 30 мм, длиной 70 мм из стали 9ХФ. В образцы зачеканивали хромель-алюминиевые термопары в центре зоны нагрева и у торцов. Холодные концы термопар соединили с самопишущим устройством типа КСП-4 для записи кривых охлаждения. Образцы подвергали термоциклической обработке, число циклов нагрев - охлаждение 6, температура нагрева 1000°С, нагрев токами высокой частоты Гц на промышленной установке, охлаждение при термоциклиро- вании до 470°С спрейерное, сжатым воздухом из заводской магистрали, в конце последнего цикла охлаждение до комнатной температуры. Цель термообработки - получение троосто-бейнитной структуры, наличие в структуре перлита ухудшает качество термообработки. При скорости охлаждения на кривой охлаждения А

чертежа наблюдается подъем температуры в перлитной области. Это объясняется тем, что превращение аустенита (У) в перлит (П) идет с выделением тепла и температура поэтому повышается. Чем больше аустенита

превратится в перлит, тем больше эффект повышения температуры. При охлаждении со скоростью /с на кривой охлаждения Б чертежа появляется площадка в перлитной области и перегиб в интервале,температур превращения аустенита в троосто-бейнит (Т+Б). При этой скорости охлаждения аустенит только частично превращается в перлит, чем соответствует площадка на кривой охлаждения в перлитной области, а из непревращенного аустенита при дальнейшем охлаждении образуется троостит и бейнит, это проявляется на кривой охлаждения в виде перегиба, При скорости охлаждения перлитное превращение полностью подавляется, поэтому в интервале температур перлитного превращения ход кривой охлажд ения плавный, кривая В чертежа в интервале температур 500-450°С на кривой охлаждения

перегиб, что соответствует превращению аустенита в троосто-бейнит. При кривая охлаждения имеет монотонный характер из-за отсутствия превращений, кривая Г чертежа Vi, V2, Vs. V4- скорости охлаждения

стали в области фазовых превращений. В таблице приведены значения твердости, прочности и ударной вязкости после обработки по указанному способу. Число замеров твердости на каждом образце не менее

15, прочность и ударная вязкость - среднее значение из 3-х измерений.

Пример 2. Термоциклической обработке подвергали валы шестерни из стали 40Х, длина вала 150 мм, диаметр 50 мм. Температура нагрева 860-880°С токами высокой частоты ( Гц) на промышленной установке, зона нагрева 150 мм. Между нагревами валы охлаждали до 400°С при помощи спрейера сжатым воздухом из заводской магистрали в конце последнего цикла охлаждение до комнатной температуры. Число циклов нагрев - охлаждение 6. Для записи кривых охлаждения в валы заче- канивали хромель-алюмелевые термопары, холодные конца которых соединяли с самопишущим устройством типа КСП-4. Скорости охлаждения составляли , , . При V кривая охлаждения имела вид кривой А чертежа, при V2 - кривая Б чертежа, при Уз - кривая В чертежа. В таблице приведены результаты измерения твердости по шкале HRC и микроструктура после обработки указанным способом. Число замеров твердости на каждом изделии не менее 15.

Из таблицы видно, что с увеличением скорости охлаждения увеличиваются значения твердости и уменьшается разброс значений твердости. Увеличение твердости указывает на образование более дисперс- ных структур, а уменьшение разброса значений твердости свидетельствует об образовании однородной структуры: у стали 9ХФ при охлаждении со скоростью в структуре бейнит + троостит, у стали 40Х при охлаждении со скоростью бей- нитная структура,

Способ управления качеством термообработки осуществляется следующим образом.

Определение момента образования 5 перлита по кривым охлаждения служит показателем качества термической обработки. Этот момент определяют по возрастанию температуры на кривых охлаждения в области температур превращения . Ох- 0 лаждение проводят со скоростью, при которой ход кривой охлаждения в перлитной области плавный, в троосто-бейнитной на кривой охлаждения - перегиб. При возрастании температуры в перлитной области 5 увеличивают скорость охлаждения (увеличивают расход охлаждающей среды) до появ- ления перегиба в троосто-бейнитной области. При плавном ходе кривой охлаждения в перлитной области и наличии переги- 0 ба в бейнитной или троосто-бейнитной области температур скорость охлаждения остается неизменной.

Использование предлагаемого способа позволит достичь высокую прочность и 5 ударную вязкость, что приведет к увеличению ресурса работы прокатных валков.

Формула изобретения

1.Способ термоциклической обработки изделий, включающий многократный индук0 ционный нагрев и охлаждение выше Мн с записью температурной кривой охлаждения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения высокой прочности и ударной вязкости, нагрев осуществляют выше Асз, а

5 охлаждение после каждого нагрева ведут непрерывно сжатым воздухом.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что при отклонении температурной кривой охлаждения от линейности скорость

0 охлаждения увеличивают.

Примечание. Отработанные образцы из стали 9Xt по режиму прототипа количество циклов 6 показали следующие механические свойства: предел прочности 870 МПа; ударная вязкость 18 Дж/см2. В образцах Л,2,3 содержание перлита не превышало 3-, что обусловило низкую ударную вязкость.

50 100 150 ± С

50 IOC 150 1C

Использование: термическая обработка изделий, работающих в условиях циклического нагружения. например, опорных валков и другого оборудования тяжелого машиностроения. Сущность изобретения: проводят термоциклирование с индукцион- ным нагревом изделия выше Асз и охлаждением выше Мн с записью температурной кривой. При отклонении температурной кривой от линейности увеличивают скорость охлаждения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.