Способ криогенно-деформационной обработки стали

Способ криогенно-деформационной обработки стали

Реферат

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к способам деформационной обработки коррозионностойких сталей с мартенситным превращением при криогенных температурах, и может быть использовано, например, при изготовлении тяжелонагруженных деталей в машиностроении.

Известен способ деформационной обработки сталей, включающий закалку, пластическую деформацию при жидком азоте и отпуск (Патент РФ №2049126, C21/D 9/22, 05.02.1993 г.).

Основными недостатками указанного способа являются низкие прочностные характеристики обработанных сталей и высокие внутренние микронапряжения.

Прототипом заявленного изобретения по технической сущности является способ обработки аустенитных нержавеющих сталей, включающий закалку, пластическую деформацию при температуре 77 К (-196°С) до ε=10% и отпуск при 730-770 К (530-550°С) в упруго-напряженном состоянии (Патент РФ №2287592, C21D 8/00, 28.07.2005 г.). Недостатками данного изобретения являются относительно невысокие прочностные характеристики сталей, что связано с невозможностью получения наноструктурного состояния в сталях вследствие низкой степени пластической деформации (до 10%) и применение отпуска в упруго-напряженном состоянии, что требует использования специального оборудования и существенно ограничивает размер, в частности длину, обрабатываемых заготовок.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение нанокристаллической структуры в коррозионно-стойких сталях, обеспечивающей высокие прочностные характеристики, низкий уровень внутренний напряжений и, как следствие, высокую эксплуатационную надежность деталей.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе деформационной обработки стали, включающем закалку, пластическую деформацию при криогенных температурах и высокотемпературный отпуск, согласно изобретению обрабатывают сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

Углерод	0,01-0,25
Хром	13,0-18,0
Никель	8,0-18,0
Алюминий	0,1-3,0
Титан	0,1-3,0
Марганец	до 0,3
Кремний	до 0,3
Молибден	до 0,2
Медь	до 0,2
Сера	до 0,03
Фосфор	до 0,03
Железо и неизбежные
примеси	Остальное

при выполнении условия: сумма алюминия и титана равна 0,5-3,2;

пластическую деформацию осуществляют по крайней мере в две стадии с суммарной степенью деформации 60-97%, после каждой стадии проводят низкотемпературный отпуск, а высокотемпературный отпуск ведут на заключительной стадии обработки заготовок. А также тем, что низкотемпературный отпуск проводят при температуре 150-200°С, а высокотемпературный отпуск проводят при 480-550°С, что пластическую деформацию осуществляют с помощью прокатки с суммарной степенью деформации 60-90% или с помощью волочения с суммарной степенью деформации 60-97%.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются:

- выплавка аустенитной коррозионностойкой стали заданного химического состава;

- пластическая деформация стали с суммарной степенью деформации 60-97%;

- проведение низкотемпературного отпуска после каждой стадии деформации.

Эти отличительные признаки в совокупности с оптимальным химическим составом коррозионно-стойкой стали позволяют получить наноструктурное состояние аустенитно-мартенситной матрицы с высокими прочностными характеристиками, низким уровнем внутренних микронапряжений и высокой эксплуатационной надежностью деталей.

Химический состав стали выбран после детальных экспериментов по криогенной деформации аустенитных сталей с различным содержанием легирующих элементов. Содержание углерода в интервале 0,01-0,25% обеспечивает карбидное упрочнение при термической обработке стали. При более низком содержании углерода образование карбидов не происходит, при более высоком - наблюдается снижение пластичности стали. Хром вводится в состав в пределах 13,0-18,0% для получения коррозионной стойкости стали: при более низком содержании коррозионная стойкость не достигается, при более высоком - не происходит превращения аустенита в мартенсит после деформации при криогенных температурах. Содержание никеля в интервале 8,0-18,0% обеспечивает формирование аустенита после закалки и его частичное превращение в мартенсит при криогенной деформации. При содержании никеля за пределами указанного интервала данный эффект не наблюдается. Алюминий и титан вводятся в сталь в количестве 0,1-3,0% каждый при выполнении условия, что их сумма равна 0,5-3,2%, для обеспечения выделения упрочняющих интерметаллидных фаз при высокотемпературном отпуске. При их содержании менее 0,5% объемная доля интерметаллидов при высоком отпуске мала и упрочнение неэффективно. При их содержании более 3,2% наблюдается снижение пластичности и охрупчивание стали. Именно тот химический состав стали, который указан в заявке, обеспечивает наиболее интенсивное формирование в аустенитной матрице нанокристаллической мартенситной фазы в процессе деформации при криогенных температурах. Как следствие, именно такой состав приводит к наиболее заметному упрочнению стали, содержащей после деформации аустенитную фазу и наномасштабные кристаллы мартенсита, то есть имеющей двухфазную аустенитно-мартенситную структуру. Наличие исходной аустенитной фазы обеспечивает достаточную пластичность сплава, хотя размер фрагментов аустенита также находится в нанометрическом диапазоне. Предлагаемый химический состав, как показали проведенные исследования, обеспечивает также выделение при высокотемпературном отпуске ультрадисперсных (нанокристаллических) интерметаллидных фаз, что приводит к дополнительному упрочнению. Выделение интерметаллидов происходит в стали и без деформационной обработки, однако после деформационной обработки дисперсность и объемная доля частиц фаз увеличивается и, как следствие, упрочнение повышается.

Пластическая деформация стали с суммарной степенью деформации 60-97% обеспечивает формирование нанокристаллической структуры, что приводит к значительному повышению прочностных характеристик. Обработка с меньшими степенями деформации не позволяет получить фрагментированную структуру и наноструктурное состояние и, как следствие, не обеспечивает получение высоких показателей прочности и твердости. Деформация стали с помощью прокатки наиболее эффективна при суммарной степени деформации 60-90%. При более высокой степени деформации происходит снижение пластичности и охрупчивание стали. Деформация стали с помощью волочения может проводиться с более высокими степенями деформации до 97% при относительно небольшом снижении пластичности, что обеспечивается всесторонним обжатием и малым сечением заготовки. Деформация проводится по крайней мере в две стадии в сочетании с низкотемпературным отпуском, так как это позволяет избежать снижения пластичности и повышения внутренних микронапряжений.

Проведение низкотемпературного отпуска после каждой стадии деформации является обязательной операцией, так как обеспечивает значительное снятие внутренних микронапряжений, вызванных деформационной обработкой, и способствует повышению эксплуатационной надежности деталей.

При высокотемпературном отпуске на заключительной стадии обработки происходит выделение дисперсных интерметаллидных фаз, что приводит к дополнительному упрочнению и повышению показателей прочности и твердости после обработки стали по предложенному способу.

Эффективность применения данного изобретения можно продемонстрировать на следующих примерах.

Пример 1. Плавку аустенитной стали с химическим составом, мас.%: 0,19 C, 14,0 Cr, 13,8 Ni, 1,3 Al, 0,3 Ti, 0,18 Mn, 0,17 Si, 0,1 Mo, 0,1 Cu, 0,005 S, 0,01 P, ΣAl+Ti=1,6 (остальное - железо и неизбежные примеси) выплавляли вакуумно-индукционным способом, проводили гомогенизацию и зачистку слитков, слитки ковали при температуре 1050-950°С на пруток квадратного сечения. Пруток квадрат 12 мм подвергали закалке от 1000°С на воздухе, проводили деформацию с помощью прокатки при температуре жидкого азота -196°С за два прохода (в две стадии) с суммарной степенью деформации ε=70% (с 12 до 3,5 мм), после каждого прохода осуществляли низкотемпературный отпуск при температуре 200°С в течение 1 ч, на заключительной стадии обработки проводили высокотемпературный отпуск при температуре 480°С в течение 2 ч. В табл.1 и 2 приведены данные рентгенографического исследования стали после обработки по предлагаемому способу. Результаты определения механических свойств образцов из стали, обработанной по предлагаемому способу, приведены в табл.3, п.1.

Пример 2. Плавку аустенитной стали с химическим составом, мас.%: 0,12 C, 13,5 Cr, 15,8 Ni, 0,8 Al, 0,6 Ti, 0,10 Mn, 0,12 Si, 0,1 Mo, 0,1 Cu, 0,01 S, 0,01 P, ΣAl+Ti=1,4 (остальное - железо и неизбежные примеси) выплавляли вакуумно-индукционным способом, проводили гомогенизацию и зачистку слитков, слитки ковали при температуре 1050-950°С на пруток круглого сечения. Пруток диаметром 3 мм подвергали закалке от 1000°С на воздухе, проводили деформацию с помощью волочения при температуре жидкого азота -196°С за три прохода (в три стадии) с суммарной степенью деформации ε=90% (с 3 мм до 0,5 мм), после каждого прохода осуществляли низкий отпуск при температуре 200°С в течение 1 ч, на заключительной стадии обработки проводили высокотемпературный отпуск при температуре 550°С в течение 2 ч. Результаты испытания образцов из стали, обработанной по предлагаемому способу с помощью волочения, приведены в табл.3, п.2.

Проведено изучение связи изменений структуры и механических свойств предложенной стали после криогенно-деформационной обработки.

Электронно-микроскопическое исследование предложенной стали показало, что после деформации в структуре аустенита, имеющего фрагменты до 100 нм, наблюдаются также нанокристаллы мартенсита размером до 50-60 нм в длину и до 10-20 нм по толщине, а после высокотемпературного отпуска при 480°С, 2 ч - дополнительно и интерметаллидные нанофазы Ni₃Ti и NiAl размером до 5-10 нм. Они выделяются, главным образом, на межфазных границах и внутри фрагментов аустенитных и мартенситных кристаллов. В совокупности появление в структуре двух нанокристаллических фаз различной природы приводит к существенному возрастанию твердости при сохранении удовлетворительной пластичности стали.

В табл.1 приведены данные рентгенографического анализа предложенной стали после деформации 70%. Видно, что в структуре появилось значительное количество мартенсита (около 30%). Следует отметить, что при деформации 80-90% объемная доля мартенсита увеличивается до 40-50%. Таким образом, после пластической деформации при температуре жидкого азота -196°С (криогенной температуре) формируется двухфазная аустенитно-мартенситная структура. Данные, приведенные в табл.2, показывают, что после низкотемпературного отпуска при 200°С, 1 ч фазовый состав не изменяется, а ширина рентгеновских интерференционных линий аустенита и мартенсита уменьшается. Получены следующие результаты: ширина линий β (220) мартенсита снижается с 52 до 36 мрад и β (222) аустенита - с 38 до 25 мрад. Снижение ширины рентгеновских линий на 25-35% свидетельствует о существенном снятии внутренних микронапряжений в стали, что способствует повышению надежности деталей.

Проведено сравнение механических свойств предложенной стали и стали, обработанной по прототипу, который включает закалку от 1050°С, деформацию методом прокатки при температуре жидкого азота 77 К (-196°С) до ε=10%, отпуск в упруго-напряженном состоянии при 730 К (530°С) в течение 1 ч. Результаты испытаний образцов из аустенитной стали, обработанной по прототипу, приведены в табл.3, п.3.

Полученные результаты (табл.2, 3) свидетельствуют о том, что обработка аустенитной стали по предлагаемому способу в сравнении с прототипом позволяет повысить прочностные характеристики стали: в частности, предел прочности σ_В возрастает на 20-30%, предел текучести σ_0,2 увеличивается на 50-60%, при некотором повышении твердости. Кроме того, проведение низкотемпературного отпуска существенно снижает уровень внутренних микронапряжений в предложенной стали, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности деталей.

Таблица 1
Количество аустенита и мартенсита в структуре аустенитной стали, изготовленной и обработанной по предлагаемому способу.
№	% об. γ-фазы	% об. α-фазы
1	77.2±0.2	22.8±0.2
2	69.2±0	30.8±0.2
Примечание:
1 - закалка, деформация при жидком азоте за 2 прохода (в две стадии), ε=70%, отпуск после каждого прохода при 200°С, 1 ч;
2 - закалка, деформация при жидком азоте за 2 прохода (в две стадии), ε=70%, отпуск после каждого прохода при 200°С, 1 ч + отпуск на заключительной стадии при 480°С, 2 ч.
Таблица 2
Влияние низкотемпературного отпуска аустенитной стали на изменение ширины рентгеновских интерференционных линий β (222) аустенита и β (220) мартенсита
№	% об. γ-фазы	% об. α-фазы	β (222) γ-фазы	β (220) α-фазы
1	77,2	22,8	38	52
2	77,2	22,8	25	36
Примечание:
1. - образец 1, закалка, деформация при жидком азоте за 2 прохода (в две стадии), ε=70%;
2 - образец 2, то же, что образец 1, + отпуск после каждого прохода при 200°С, 1 ч.
Таблица 3
Механические свойства аустенитной стали, изготовленной и обработанной по предлагаемому способу, и аустенитной стали, обработанной по прототипу.
№	Способ обработки	ε, %	σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	HRC
1	По предлагаемому способу	70	2000	1600	8	64
2	90	2200	1800	6	68
3	По прототипу	10	1750	1050	9	64
Примечание:
ε - степень деформации при жидком азоте, σВ - предел прочности, σ0,2 - предел текучести,
δ - относительное удлинение, HRC - твердость по Роквеллу.

1. Способ деформационной обработки стали, включающий закалку, пластическую деформацию при криогенных температурах и высокотемпературный отпуск, отличающийся тем, что обрабатывают сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,01-0,25
хром	13,0-18,0
никель	8,0-18,0
алюминий	0,1-3,0
титан	0,1-3,0
марганец	до 0,3
кремний	до 0,3
молибден	до 0,2
медь	до 0,2
сера	до 0,03
фосфор	до 0,03
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении условия: сумма алюминия и титана равна 0,5-3,2, пластическую деформацию осуществляют, по крайней мере, в две стадии с суммарной степенью деформации 60-97%, после каждой стадии проводят низкотемпературный отпуск, а высокотемпературный отпуск проводят на заключительной стадии обработки заготовок.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что низкотемпературный отпуск проводят при температуре 150-200°С, а высокотемпературный отпуск проводят при 480-550°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пластическую деформацию осуществляют прокаткой с суммарной степенью деформации 60-90%.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пластическую деформацию осуществляют волочением с суммарной степенью деформации 60-97%.