Способ непрерывной термообработки длинномерных стальных изделий и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термообработки таких изделий из стали, как проволока, узкая полоса, профили, трубы малого диаметра. Задача изобретения - повышение механических свойств изделий и сокращение необходимого времени изотермической выдержки для получения оптимальных свойств. Способ заключается в следующем. Например, проволоку при помощи механизма протяжки пропускают через камеру, содержащую графит плотностью 0,5-1,8 г/см³, и нагревают в вакууме 1-40 Па до аустенитного состояния. После нагрева проволоку ускоренно охлаждают до температуры изометрического распада аустенита в стали путем отвода тепла через графит плотностью 0,5-1,8 г/см³, сжимаемый усилием 20-200 кг/см² вдоль направления движения изделия; затем в аустенитном состоянии при помощи волоки осуществляют пластическую деформацию степенью 2-20% и в упругом состоянии при натяжении усилием 0,5-1,0 от предела текучести стали в аустенитном состоянии протягивают через зону изотермической выдержки в течение 0,1-10 мин при назначаемой температуре изотерического распада аустенита в пределах /(M_н+20^oC)-650^oC/, где M_н - температура начала мартенситного превращения в стали. Непрерывная термообработка по данному способу повышает механические свойства изделий на 10-20% при сопоставимых режимах обработки или сокращает необходимое время изотермического распада аустенита в стали на 20-40% при сопоставимых с известным способом механических свойствах изделий. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термической обработки стали, и может быть использовано для безокислительного патентирования проволоки, ступенчатой и изотермической закалки проволоки и полосы.

Известен способ патентирования проволоки, включающий нагрев высокоуглеродистой стали в печи до 1100^oC, выдержку 1 час, горячую прокатку с диаметра 115 мм на диаметр 15 мм, патентирование в расплаве солей при 520^oC (Kanetzuki yntaka, Katsumuta Majaaki. Sato Mattoohozomi Koji. Влияние горячей деформации на механические свойства и микроструктуру патентированных высокоуглеродистых сталей. Jermand Steellnst, Japan, 1989, 75, N 12, р. 2218-2225, рез. англ. ). В результате предложенной обработки на 15-20% повышается предел прочности стали, увеличивается прокаливаемость, подавляется видманштетова структура. Положительное влияние деформации при патентировании стали объясняется сдвигом в сторону более высоких температур и более короткого времени начала и конца перлитного превращения благодаря горячей деформации (Zyra alexandre, Dahl Winifried. Влияние распределения растягивающих деформаций на превращение в стали. Stal Res. 1990, 61, N 2, р. 72-76, англ. ).

Недостаток способа состоит в невозможности предотвращения окисления поверхности, в неоднородности деформации и невозможности точного контроля степени ее воздействия на свойства стали, невозможности обработки с применением способа легированных сталей.

Наиболее близкими к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату являются способ непрерывного патентирования проволоки и устройство для его осуществления, включающие нагрев стали в безокислительной атмосфере в вакууме 1-40 Па до аустенитного состояния, при этом перед нагревом проволоку пропускают через камеру, содержащую графит плотностью 0,5-1,8 г/см³, а после нагрева проводят ускоренное охлаждение до области температур ферритного превращения путем отвода тепла через графит плотностью 0,5-1,8 г/см³, при этом толщина теплопроводящего слоя графита δ составляет 5 ≅ δ ≅ (15-d) где d диаметр проволоки в мм, после ускоренного охлаждения проводят изотермическую выдержку в графите плотностью 0,5-1,8 г/см³, разогретом до температуры сорбитного превращения аустенита, а затем проволоку охлаждают до комнатной температуры путем отвода тепла через графит плотностью 0,5-1,8 г/см³ (патент РФ N 2023727, кл. C 21D 9/52, 1994).

Недостатком способа является невозможность использования положительного влияния деформации при изотермическом распаде на свойства стальных изделий.

Известно устройство для непрерывной термообработки длинномерных стальных изделий, включающее прокатный стан, обеспечивающий горячую деформацию изделий на 30-70% в аустенитном состоянии, протяжной механизм, устройства ускоренного охлаждения изделий после деформации (заявка З-236223, Япония, кл. C 21D 7/02, C 22C 38/00, заявлено 07.03.89).

Недостатком устройства является невозможность точного дозирования деформации изделий для регламентации их свойств и невозможность осуществления изотермических и ступенчатых процессов, обеспечивающих наилучшее сочетание свойств изделий.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для непрерывного патентирования проволоки, состоящее из протяжного механизма, печи и многосекционных шлюзовых камер, заполненных графитом с плотностью 0,5-1,8 г/см³, при этом камера охлаждения выполнена в виде трехсекционной камеры, содержащей графит плотностью 0,5-1,8 г/см³, и средняя секция оснащена средством подогрева, крайние секции выполнены водоохлаждаемыми, а печь и пространство между секциями снабжены средствами вакуумирования (патент РФ N 2023727, кл. C 21D 9/52, 1994).

Недостатком устройства является невозможность реализации положительного влияния деформации в процессе изотермического распада аустенита на свойства изделий (прототип).

Задача настоящего изобретения повышение механических свойств изделий, сокращение длительности изотермического охлаждения при патентировании и изотермической закалке изделий.

Задача достигается тем, что в способе непрерывной термообработки длинномерных стальных изделий, включающем нагрев изделия в безокислительной атмосфере до температуры аустенитизации, ускоренное охлаждение до заданной температуры, изотермическую выдержку и окончательное охлаждение, согласно изобретению ускоренное охлаждение ведут до температуры минимальной устойчивости переохлажденного аустенина, при этой температуре осуществляют пластическую деформацию со степенью обжатия 1-20% с помощью волоки при одновременном поджиме к ней вдоль оси изделия слоя графита с постоянной нагрузкой, составляющей 20-200 кг/мм², затем проводят изотермическую выдержку при температуре на 20^oC выше начала мартенситного превращения в стали, но ниже 650^oC с приложением растягивающего усилия, составляющего 0,5-1,0 предела текучести.

Устройство снабжено установленными между камерой охлаждения и камерой изотермической выдержки волокой, уплотнительной шайбой, графитовым материалом, размещенным между ними, и пружиной для создания продольно действующей нагрузки на шайбу.

Для пояснения изобретения на чертеже представлено устройство для непрерывной термообработки стальных изделий. Устройство состоит из механизма протяжки изделий, включающего в себя барабан 1, направляющие ролики 2 и барабан 3 с электроприводом, шлюзовой цилиндрической камеры 4, заполненной графитом плотностью 0,5-1,8 г/см³, трубчатой печи аустенизации 5 и изотермической выдержки 6, трехсекционной цилиндрической камеры охлаждения 7-9, заполненной графитом плотностью 0,5-1,8 г/см³, при этом секция 8 оснащена средствами вакуумирования, а между печью изотермической выдержки 6 и секцией камеры охлаждения 7 установлена волока 10 с прижимной шайбой 11 и пружиной 12.

Выполнение способа заключается в следующем.

Проволоку или узкую полоску 13 с барабана 1 пропускают через камеру 4, заполненную графитом плотностью 0,5-1,8 г/см³, и нагревают в трубчатой печи 5 до аустенитного состояния, при этом давление в печи составляет 1-40 Па. После нагрева проволоку или полосу пропускают через секции 7-9 камеры охлаждения, где изделие подстуживают до заданной температуры изотермического распада аустенита. Затем изделие попадает в волоку 10, где деформируется в состоянии переохлажденного аустенита с обжатием 1-20% при этом графит, одновременно используемый и в качестве смазки при деформации, прижимается к очагу деформации пружиной 12, действующей через прижимную шайбу 11. Из волоки изделие попадает в печь изотермической выдержки 6, при протяжке через которую на изделие действует растягивающее напряжение в пределах 0,5-1 предела текучести стали, создаваемое механизмом протяжки изделия и деформирующей волокой. Время протяжки изделия через камеру изотермического распада аустенита в напряженном состоянии устанавливают в пределах 0,1-10 мин в зависимости от обрабатываемой стали. После завершения изотермического распада аустенита изделие пропускают через секцию 14, заполненную графитом плотностью 0,5-1,8 г/см³ и охлаждаемую водой, в результате чего изделие охлаждается до комнатной температуры. Давление в межсекционном пространстве составляет 1-40 Па.

Повышение механических свойств на 10-20% достигается за счет дробления аустенитного зерна при деформации и ориентированного изотермического аустенита в поле других деформаций при изотермической выдержке изделий после пластической деформации.

Сокращение необходимой длительности изотермического охлаждения при патентировании и изотермической закалке изделий достигается за счет ускоряющего действия пластической и особенно упругой деформации на перераспределение углерода в стали при изотермическом распаде аустенита.

Величина постоянной нагрузки на графитовый материал при ускоренном охлаждении изделий в пределах 20-200 кг/см^- обусловлена необходимостью устойчивого теплосъема с разогретого изделия через графитовый материал и устойчивого действия графита в качестве смазки в волокне при пластической деформации изделий. При этом при давлении ниже 20 кг/см² плотность графита в камере охлаждения при длительной эксплуатации становится меньше 0,5 г/см³ и нарушается стационарность теплосъема, что отражается на качестве изделий и приводит к понижению их механических свойств. При давлении выше 200 кг/см² плотность графита к камере охлаждения лишь незначительно становится выше 1,8 г/см³, что не сказывается более на увеличении теплосъема с поверхности изделий, т.е. не приводит к дополнительному повышению механических свойств изделий.

Величина пластической деформации в пределах 1-20% при выходе в процесс охлаждения на изотермическую выдержку обусловлена необходимостью устойчивого воздействия на повышение механических свойств изделий в пределах 10-20% и созданием при этом растягивающих напряжений в изделии, выходящем из волоки, в пределах 0,5-1,0 предела текучести. При этом величина пластической деформации ниже 1% не сказывается на механических свойствах изделия и не позволяет создать растягивающие напряжения не менее 0,5 предела текучести стали. Деформация выше 20% не приводит к дополнительному повышению механических свойств, а лишь затрудняет стационарное протекание процесса термической обработки.

Величина нагрузки при упругой деформации в пределах 0,5-1,0 предела текучести стали при температуре изотермической выдержки обусловлена возможностью сокращения длительности необходимой изотермической выдержки для распада аустенита в стали на 20-40% под действием упругих напряжений. При этом упругие нагрузки менее 0,5 предела текучести приводят к резкому уменьшению ускоряющего воздействия упругих деформаций на распад аустенита в стали, а нагрузки выше 1 предела текучести не позволяют осуществлять стационарный процесс термообработки.

Продолжительность изотермической выдержки в пределах 0,1-10 мин под действием растягивающих напряжений обусловлена температурой изотермического распада аустенита в стали, необходимой степенью распада аустенита и легированием стали. При этом минимальное значение изотермической выдержки в 0,1 мин обусловлено необходимостью получения стабильных результатов при температуре изотермической выдержки, приближающейся к температуре минимальной устойчивости аустенита в стали; а значение 10 мин изотермической выдержки обусловлено необходимостью достижения повышенного уровня механических свойств на 10-20% и сокращения на 20-40% необходимого времени распада аустенита при температурах, приближающихся к температуре мартенситного превращения в стали M_н.

Значения температуры изотермической выдержки установлены из следующих соображений. Нижняя температура на 20^oC выше температуры M_н начала мартенситного превращения в стали обусловлена тем обстоятельством, что прилагаемые нагрузки не вызывают повышения температуры M_н более чем на 20^oC и обеспечивается изотермический распад аустенита под нагрузкой; а верхнее значение 650^oC ограничено тем, что при более высокой температуре практически не сказывается положительное воздействие прилагаемых нагрузок в заявляемых пределах.

Волока, уплотнительная шайба и пружина в заявляемом устройстве обеспечивают стационарность процесса термической обработки в заявляемых пределах технологии.

Необходимость волоки обусловлена требованиями создания растягивающих напряжений в зоне изотермической выдержки изделий. При этом волока может быть роликовой.

Необходимость уплотнительной шайбы обусловлена требованиями передачи давления на графит для поддержания его плотности в пределах 0,5-1,8 г/см³.

Необходимость пружины обусловлена требованиями поддержания постоянного давления на графит через уплотнительную шайбу в пределах 20-200 кг/см².

Для пояснения изобретения приводим следующие примеры.

Пример 1. Проволоку из стали 60 диаметром 2,3 мм пропускали через камеру, наполненную графитом плотностью 1,1 г/см³, и нагревали в печи до температуры 840^oC при давлении 1 Па. После нагрева проволоку подстуживали, пропуская ее через водоохлаждаемый графитовый цилиндр плотностью 1,1 г/см³, до температуры 500^oC, а затем пропускали через устройство, состоящее из волоки, прилегающего к ней столба графита, прижимаемого к волоке пружиной с усилием 120 кг/см² через уплотнительную шайбу, в волоке проволоку обжимали до диаметра 2,2 мм, после чего пропускали через печь изотермической выдержки с температурой 320^oC в течении 1 мин, на этом участке между волокой и моталкой натяжным устройством создавали тянущие усилие 65 кг/см², что соответствовало примерно 0,7 предела текучести аустенита стали в переохлажденном состоянии, а на выходе из печи изотермической выдержки проволоку охлаждали на воздухе. Было получено повышение механических свойств на 10% по сравнению с известным способом при сопоставимом режиме обработки, а также понижение времени необходимой изотермической выдержки на 40% при сопоставимых механических свойствах.

Другие примеры осуществления способа представлены в таблице.

Как следует из таблицы, термообработка проволоки по предложенному способу позволяет в зависимости от выдвигаемых требований либо повышать механические свойства изделий, либо значительно сокращать необходимое время изотермической выдержки для заданного уровня свойств.

Формула изобретения

1. Способ непрерывной термообработки длинномерных стальных изделий, включающий нагрев изделия в безокислительной атмосфере до температуры аустенитизации, ускоренное охлаждение до заданной температуры, изотермическую выдержку и окончательное охлаждение, отличающийся тем, что ускоренное охлаждение ведут до температуры минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, при этой температуре осуществляют пластическую деформацию со степенью обжатия 1 20% с помощью волоки при одновременном поджиме к ней вдоль оси изделия слоя графита с постоянной нагрузкой, составляющей 20 200 кг/мм², затем проводят изотермическую выдержку при температуре на 20^oС выше начала мартенситного превращения в стали, но ниже 650^oС с приложением растягивающего усилия, составляющего 10,5 1,0 предела текучести.

2. Устройство для непрерывной термообработки длинномерных стальных изделий, содержащее механизм протяжки изделий, шлюзовые камеры, вакуумную печь, камеру охлаждения, заполненную графитовым материалом, камеру изотермической выдержки, средства вакуумирования, отличающееся тем, что оно снабжено установленными между камерой охлаждения и камерой изотермической выдержки волокой, уплотнительной шайбой, графитовым материалом, размещенным между ними, и пружиной для создания продольной действующей нагрузки на шайбу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2