Способ термической обработки полуфабрикатов из стали мартенситного класса

Способ термической обработки полуфабрикатов из стали мартенситного класса

Реферат

Изобретение относится к технологии термической обработки полуфабрикатов, предназначенных для изготовления деталей и узлов, работающих в условиях Крайнего Севера и Сибири, например контейнеров для перевозки отработавшего ядерного топлива.

Известны способы термической обработки сталей, позволяющие достичь удовлетворительных значений прочностных и вязкопластических свойств (Гуляев А.П. «Металловедение», Москва, издательство «Металлургия, 1986 г., стр.334-337).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ термической обработки металлов, (Новиков И.И. «Теория термической обработки металлов», Москва, издательство «Металлургия», 1974 г., стр.352-354).

Согласно известному способу поковки нагревают до температуры выше точки Ас₃ на 30-50°C, выдерживают при этой температуре и охлаждают в воде или масле. Затем проводят отпуск при температуре 600-670°C с последующим охлаждением на воздухе, в воде или масле.

Недостатком известного способа, как установлено исследованиями, является недостаточная хладостойкость хромоникельмолибденованадиевых сталей мартенситного класса.

Техническим результатом изобретения является повышение хладостойкости хромоникельмолибденованадиевых сталей мартенситного класса.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе термической обработки полуфабрикатов из хромоникельмолибденованадиевых сталей мартенситного класса, включающем закалку стали от температур на 30-50°C выше точки Ас₃ и последующий отпуск при температуре 600-700°C с охлаждением на воздухе, согласно изобретению, после отпуска дополнительно проводят старение в диапазоне температур 450±10°C с выдержкой 5-10 час после полного прогрева заготовки с дальнейшим охлаждением на воздухе, при этом при нагреве под закалку время выдержки стали определяют из расчета 2,5-3 мин/мм сечения, а закалку проводят в масло, а при отпуске время выдержки стали определяют из расчета 5-6 мин/мм сечения с последующим охлаждением на воздухе.

Исследованиями установлено, что нагрев до температуры А_с3+(30-50)°C приводит к растворению феррита, цементита, а также тугоплавких карбидов хрома, молибдена и ванадия в аустените. Последующая закалка стали приводит к образованию мартенситной или мартенситно-бейнитной структуры. Дальнейший высокий отпуск приводит к распаду мартенсита и бейнита с образованием феррито-цементитной структуры (сорбит), что приводит к повышению вязкопластических свойств стали.

Регламентирование времени выдержки под закалку, определенное из расчета 2,5-3,0 мин/мм сечения, способствует переводу стали в аустенитное состояние и растворению карбидной фазы в аустените.

Уменьшение длительности выдержки при закалке менее 2,5 мин/мм сечения не позволяет полностью растворить тугоплавкие карбиды.

Увеличение длительности выдержки при закалке более 3,0 мин/мм сечения приводит к росту зерна, что снижает хладостойкость.

Регламентирование времени выдержки в процессе отпуска, определенное из расчета 5,0-6,0 мин/мм сечения, способствует более полному распаду мартенсита и бейнита с образованием ферритокарбидной структуры, что приводит к повышению вязкопластических свойств стали.

Уменьшение длительности выдержки при отпуске менее 5,0 мин/мм сечения не позволяет полностью выделиться карбидам хрома и ванадия.

Увеличение длительности выдержки при отпуске более 6,0 мин/мм сечения приводит к образованию аустенита, который при последующем охлаждении переходит в мартенсит, что охрупчивает сталь.

В процессе отпуска происходит растворение третичного цементита и в связи с тем, что после отпуска металл охлаждается на воздухе с высокой скоростью, ферритная матрица пересыщается углеродом, что ведет к снижению хладостойкости стали.

Для выделения углерода из ферритной матрицы с целью повышения хладостойкости необходимо проведение старения стали при температуре 450±10°C.

Снижение температуры старения менее 450±10°C также способствует выделению цементита. Но при этом из-за малого размера частиц цементита и большой плотности их выделений происходит снижение хладостойкости стали.

Повышение температуры старения более 450±10°C приводит к выделению из феррита мелкодисперсных тугоплавких карбидов ванадия и хрома, что также снижает хладостойкость стали.

На хладостойкость стали оказывает влияние и длительность процесса старения. При выдержке менее 5,0 час при температуре 450±10°C имеет место выделение мелкодисперсных карбидов цементита. Увеличение длительности выдержки свыше 10,0 час приводит к выделению карбидов ванадия и хрома, что также снижает хладостойкость стали.

Пример конкретного выполнения способа:

На металлургическом заводе ОАО «ОМЗ-Спецсталь» была выплавлена хромоникельмолибденованадиевая сталь марки 38ХН3МФА, химический состав которой приведен в таблице 1.

Химический состав стали 38ХН3МФА

Таблица 1

Марка стали

Содержание элементов, мас.%

С

Si

Mn

S

P

W

Cr

Ni

V

Mo

Cu

Fe

38ХН3МФА

0,38

0,39

0,38

0,18

0,022

0,02

1,32

3,17

0,14

0,42

0,12

Остальное

Из этой стали были изготовлены поковки диаметром 100 мм, которые были подвергнуты закалке при температуре 880±10°C в масле и последующему отпуску при температуре 620±10°C на категорию прочности КП90 по ГОСТ 23304-78. После указанной термической обработки поковка была разрезана на заготовки размером 20×20×60 мм, которые были подвергнуты старению при температуре 450±10°C и выдержке 5,0, 7,0 и 10,0 часов.

Из этих заготовок были изготовлены образцы 11 типа с V-образным надрезом по ГОСТ 9454-78 и испытаны при различных температурах от +20 до -50°C. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Влияние режимов термической обработки на хладостойкость стали марки 38ХН3МФА на КП90.

Таблица 2
Способ	Параметры способа	Ударная вязкость
Предлагаемый	Закалка	Отпуск	Старение	Температура
Температура,°C	Длительность,мин/мм	Температура,°C	Длительность,мин/мм	Температура,°C	Длительность,ч	+20	-20	-30	-50
880±10	2,5	620±10	5,0	450±10	5,0	60	54	52	45
3,0	6,0	63	58	56	47
2,5	5,0	7,0	96	69	62	55
3,0	6,0	101	73	66	59
2,5	6.0	10,0	95	65	59	53
3,0	5,0	89	61	54	49
Известный	880±10	-	620±10	-	-	-	50	48	45	41
Примечание:
1. Результаты испытаний усреднены по третьим образцам на точку и округлены до целого числа.
2. Испытания на ударный изгиб проводились на образцах 11 типа с V-образным надрезом по ГОСТ 9454-78.
3. Разброс температуры, равный ±10°C, при закалке, отпуске и старении соответствует точности регулирования задатчика потенциометра и перепаду температурного поля внутри печи.

Как видно из полученных результатов, образцы, термически обработанные по предлагаемому способу, имеют более высокие значения хладостойкости по сравнению с образцами, термически обработанными по известному способу.

Ожидаемый технико-экономический эффект по сравнению с прототипом выразится в возможности создания новых образцов машин и конструкций общего и специального назначения с повышенной надежностью и долговечностью, работающих в районах Крайнего Севера и Сибири, за счет повышения их хладостойкости.

Способ термической обработки полуфабриката из стали мартенситного класса, включающий нагрев под закалку до температуры Ас₃+(30-50)°C, охлаждение и отпуск в диапазоне температур 600-700°C с охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что после отпуска дополнительно проводят старение при температуре 450±10°C с выдержкой 5-10 ч для полного прогрева заготовки и охлаждение на воздухе, причем при температуре закалки осуществляют выдержку полуфабриката в течение времени, определяемого из расчета 2,5-3 мин на 1 мм сечения, и охлаждают в масло, а при температуре отпуска - выдержку в течение времени, определяемого из расчета 5-6 мин на 1 мм сечения, c последующим охлаждением на воздухе.