Способ противофлокенной термической обработки поковки из стали

Изобретение относится к области металловедения и термической обработки поковок из сталей и сплавов и может быть использовано в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при производстве поковок. Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение качества, надежности и долговечности изделий путем ликвидации брака по флокенам. Технический результат достигается тем, что в способе противофлокенной термической обработки поковки из стали поковку после горячей пластической деформации подвергают объемной закалке с температурой на поверхности поковки не ниже 600°С и формированием в ее объеме неравновесных структур в слое не менее 1/3 радиуса или толщины поковки от ее поверхности. Кроме того, закалке после горячей пластической деформации подвергают поковку, прокованную с относительной степенью деформации не менее 0,5. Заявляемый способ применим ко всем флокеночувствительным сталям, в том числе невакуумированным, может быть осуществлен на имеющемся оборудовании и не требует каких-либо дополнительных затрат. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области металловедения и термической обработки поковок из сталей и сплавов и может быть использовано в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при производстве поковок.

Известен способ противофлокенной термической обработки поковки из стали, заключающийся в отжиге последней после горячей пластической деформации и медленного охлаждения после окончания отжига со скоростью не выше 10°С/час (см., например М.А.Смирнов и др. Основы термической обработки стали. - М.: Наука и технологии. - 2002. - С.282-284).

Недостатком указанного способа является длительный цикл обработки (до 1000 часов), при этом не всегда обеспечивающий полное отсутствие флокенов в изделии.

Известен способ противофлокенной термической обработки поковки из стали, при котором поковку подвергают закалке немедленно после окончания ковки (Товпенец Е.С. Влияние режима охлаждения крупных поковок на их механические свойства и флокеночувствительность. / Вестник машиностроения. - №11. - 1970. - С.70-72).

Недостатком известного решения является нестабильность полученных результатов, также не гарантирующих отсутствия флокенов в поковках.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение качества, надежности и долговечности изделий путем ликвидации брака по флокенам.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе противофлокенной термической обработки поковки из стали поковку после горячей пластической деформации подвергают объемной закалке с температурой на поверхности поковки не ниже 600°С и формированием в ее объеме неравновесных структур в слое не менее 1/3 радиуса (толщины) поковки от ее поверхности.

Кроме того, закалке после горячей пластической деформации подвергают поковку, прокованную с относительной степенью деформации не менее 0,5.

Способ основан на единой теории флокенообразования, разработанной автором (Онищенко А.К. Флокены - результат локальных цепных взрывов при разветвленной химической реакции окисления (горения) водорода. / Технология металлов. - №6. - 2007. - С.12-18).

Единая теория флокенообразования - теория горения и взрыва Н.И.Семенова при разветвленных цепных реакциях окисления водорода, а флокены - результат локальных цепных взрывов в объеме стальной заготовки при ее охлаждении от температур аустенизации.

Очагами зарождения цепных реакций являются включения оксисульфидов, в которых сосредоточены реагенты этих реакций (Н2, О2, Н2О, H2S, FeO, FeS, MnO, MnS).

Основной активный центр реакции - атомарный водород, растворенный в твердом растворе стали и «бомбардирующий» оксисульфиды при диффузии и γ-α превращении, повышая скорость цепной разветвленной химической реакции. Первичный взрыв происходит при достижении активными частицами (Н, О, ОН, SH и др.) нижнего предела давления в одном из начальных объемов включений.

При этом основной реакцией горения и взрыва, приводящей к образованию флокенов в стальной заготовке, является цепная реакция горения водорода:

ОН+Н2 → Н2О+Н

Н+О2 → ОН+О

О+Н 2 → ОН+Н

2+O2 → Н2О+Н+ОН

А побочной, идущей по механизму цепных реакций с вырожденным разветвлением, реакция горения сероводорода:

H2S+ОН → HS+H2O

HS+О2 → SO+OH

SO+O2 → SO2

О+H 2 S → HS+OH

2H2S+2О2 → Н2О+SO2+HS+ОН

Наличие последнего (H2S) особенно вероятно в зоне «усов» (внецентренной Λ-образной ликвации слитка), где имеет место высокое содержание серы.

Возникновение цепного воспламенения и взрыва объясняется лавинообразным нарастанием числа активных частиц (свободных атомов и радикалов) при постоянной температуре в результате протекания разветвленной цепной реакции. Особенностью цепного взрыва является то, что, в отличие от теплового, он происходит при низких температурах - комнатной и даже минусовых.

Теоретически образование флокенов возможно во всем интервале температур (Т) и давлений (Р) полуострова воспламенения и взрыва горючих смесей (фиг.1). При этом максимальная температура возникновения первичного цепного взрыва для водороднокислородных смесей находится в интервале 575-600°С (см. В.Г.Матвеев. Упрощение механизма горения водорода. / Физика горения и взрыва. - 2001, т.37. - №1. - С.3-5), поэтому и нижняя температура поверхности поковки под закалку должна быть не ниже 600°С.

Исследованиями образцов с флокенами из стали 40ХГМ промышленных поковок показано, что в подавляющем большинстве случаев зародышами флокенов являются включения сульфида марганца (Мирзаев Д.А., Фоминых Е.А., Токовой О.К., Воробьев Н.И., Шабуров Д.В., Яковлева И.Л. Исследование строения флокенов в поковках конструкционной легированной стали с 0,4% углерода с помощью растрового электронного микроскопа. / Физика металлов и металловедение. - т.103, №3. - 2007. - С.303-309).

Из обеих представленных цепных реакций видно, что разветвление цепей происходит не только за счет активного атома водорода, но и молекулярного и атомарного кислорода (О2, О).

В соответствии с суммарными реакциями, по которым производят химические расчеты, на 2 моля Н2 или H2S требуется, соответственно, 1 или 2 моля О2. То есть при любой, самой малой концентрации реагентов эти реакции идут при указанных выше соотношениях, изменяется только их скорость, которая прямо пропорциональна концентрации и равна:

V1=k1[H2]2[O2] и V2=k2[H2S]2[O2]2,

где k - константа скорости реакции, зависящая от природы реагентов, присутствия катализатора и температуры, но не зависящая от концентрации реагентов. В этой связи заявления о существовании минимума концентрации водорода в стали (около 2 ppm), гарантирующего отсутствие флокенов в поковках, является ошибочным. С уменьшением содержания водорода в стали уменьшаются размеры флокенов, но вероятность их образования, практически, не снижается. Присутствие в виде примесей водорода, кислорода и серы в слитках промышленного производства неизбежно и поэтому в поковках из сверхчистых сталей с содержанием водорода менее 1 ppm флокены также обнаруживают (Fruehan R.V. A review of hydrogen flaking and is prevention // The 13 th Intemation Forgemasters Meeting, Pusan, Korea, October 12-16, 1997: Korea Heavy Indastries & Construction Co., Ltd. The Korea Institute of Metal& Materials, 1997. - V.II. - P.41-55).

Установлено, что пределы взрываемости Н2+O2 смесей находятся в интервале 4-94% (вес.) Н2, a H2S+О2: 4,3-45,5% (об.) H2S. Поэтому в каком-либо объеме сульфидов или оксисульфидов с диаметром более критического и достижении давления газовой смеси выше нижнего предела воспламенения будет происходить цепное воспламенение и взрыв газовой смеси с образованием активных промежуточных частиц Н, О, ОН и SH, которые после первичного взрыва диффундируют к другим объемным дефектам поковки, вызывая многочисленные локальные взрывы.

В случае взрыва давление возрастает многократно и может достигать 10 ГПа (105 атмосфер). Такой взрыв в одном из локальных объемов включений провоцирует прохождение цепных взрывов в других локальных объемах поковки с дефектами. Цепные процессы горения являются диффузионными, так как их пространственное распространение происходит вследствие передачи активных частиц путем диффузии. Поэтому при локальном первичном взрыве активные частицы цепной реакции диффундируют к другим областям.

Изложенное выше позволяет заключить, что основной причиной образования взрывоопасной горючей газовой смеси, ее первичного взрыва в одном из локальных объемов включений и ее распространение на другие объемы связано с процессом диффузии активных частиц (атомов и радикалов) из твердого матричного раствора стали к несплошностям слитка. Поэтому зона внецентренной ликвации слитка - «усов» (основной составляющей которых является сульфид марганца), остающаяся в поковке и находящаяся на расстоянии 1/3 радиуса слитка от его поверхности, является местом наиболее вероятного образования флокенов, где первичный взрыв в одном из сульфидов зоны приводит к цепной реакции взрывов в других близлежащих сульфидах с образованием многочисленных волосовидных трещин - флокенов и направленностью взрывной волны к центру сечения поковки. В свою очередь в поверхностной, «чистой» и наиболее плотной зоне поковки (слитка) флокены отсутствуют (фиг.2), поэтому для предотвращения диффузии атомарных водорода и кислорода из центральной зоны поковки, где их содержание максимально, к сульфидам зоны внецентренной ликвации необходимо образование закаленного слоя толщиной не менее 1/3 радиуса от поверхности поковки.

Известно, что в диффузионной области константа скорости обрыва (гибели) цепей определяется зависимостью:

где kг - константа гибели цепей; D - коэффициент диффузии атомов Н;

ρ - радиус сосуда.

Откуда скорость гибели цепей обратно пропорциональна радиусу сосуда (в нашем случае оксисульфида). Кроме того, скорость обрыва цепей на стенке растет с ростом отношения поверхности реакционного сосуда S к его объему V и пропорциональна отношению S/V. Для реакционного сосуда в форме цилиндра это отношение резко возрастает при радиусе цилиндра менее 1. И следовательно, чем будет меньше радиус сульфида, а соответственно, больше прокована зона «усов» слитка (с относительной степенью деформации 0,5-0,7; см. Онищенко А.К. Качество крупных поковок. / Технология металлов. - №7. - 2008. - С.6-11), тем больше скорость гибели цепей в сульфидах и меньше вероятность взрывов в них. Поэтому относительная степень деформации во всем объеме поковки под закалку должна быть не менее 0,5. Эта степень деформации (ε) является минимальной для заварки пористости слитка и рассчитывается по формуле:

где У - уков слитка, равный отношению F0/Fk, соответственно, начальной и конечной площади сечения слитка и поковки.

Следовательно, противофлокенная обработка должна быть обработкой, подавляющей процессы диффузии в объеме поковки. А горячая механическая обработка стального слитка должна обеспечить максимальную плотность стали в поковке.

Примеры реализации заявляемого способа.

Пример 1.

Слитки мартеновской невакуумированной стали 30ХН3МФА массой 3,6 т нагревали в печи до температуры 1100-1150°С, прокатывали с одного нагрева на сортовом стане на квадрат 200×200 мм и производили горячую резку в меру на 3 заготовки длиной 3000 мм каждая. Непосредственно после прокатки и резки заготовки с температурой поверхности 750-800°С подвергали закалке в воде в закалочной ванне с проточной водой с температурой 20°С, находящейся в линии прокатного стана. Из ССТ - диаграммы (см. М.А.Смирнов и др. Основы термической обработки стали, рис.7.17) видно, что при такой обработке во всем сечении имеет место мартенситная структура. Флокены в прокате отсутствовали.

Пример 2.

Слябы сечением 800×1500 мм, длиной 3000 мм и массой 30 т из невакуумированной стали 15Х2ГНМА нагревали в печи до температуры 1150-1200°С и прокатывали с одного нагрева на плиты сечением 200×500 мм и длиной 12000 мм на стане «5000». Плиты предназначены для изготовления рамы мощного гидравлического пресса. Непосредственно после прокатки в размер каждую плиту передавали на установку для закалки и осуществляли охлаждение в ванне с проточной водой с температурой 18°С. При этом температура окончания прокатки составляла 850-900°С. После закалки во всем сечении была получена бейнитная структура. Флокены в плитах не обнаружены. В аналогичных плитах после ковки и стандартного противофлокенного отжига было установлено наличие многочисленных флокенов в сульфидах зоны «усов» слитка.

Пример 3.

Из слитка вакуумированной (3 ppm Н) стали 25Х2Н4МФА массой 205 т изготовили поковку ротора генератора массой 110 т с диаметром бочки 1200 мм и шеек 850 мм, общей длиной 12000 мм.

Ковку производили за 6 выносов в интервале температур 1200-850 С на прессе 120МН. В последних двух выносах при окончательном формировании шеек ротора нагрев заготовки производили до температуры 1050°С. При окончании ковки температура на поверхности поковки составляла 700-750°С. Поковку поместили в вагон-термос и передали в термический цех. В термическом цехе поковку ротора загрузили в печь с температурой 650°С. Подготовили к работе спреерную установку, краном передали поковку ротора на горизонтальную закалку с охлаждением водовоздушной смесью и вращением поковки вокруг своей оси. Температура воды на установке не превышала 25°С. После закалки на 2/3 сечения бочки ротора была получена структура бейнита. При контроле флокенов не обнаружено.

На всех указанных в примерах поковках относительная степень деформации по сечению была не менее 0,5.

Заявляемый способ применим ко всем флокеночувствительным сталям, в том числе невакууумированным; может быть осуществлен на имеющемся оборудовании и не требует каких-либо дополнительных затрат.

1. Способ противофлокенной термической обработки поковки из стали, характеризующийся тем, что поковку после горячей пластической деформации подвергают объемной закалке с температурой на поверхности поковки не ниже 600°С и формированием в ее объеме неравновесных структур в слое не менее 1/3 радиуса или толщины поковки от ее поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после горячей пластической деформации подвергают объемной закалке поковку, прокованную с относительной степенью деформации не менее 0,5.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам противофлокенной обработки проката из легированной стали. .
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам противофлокенной обработки проката из высокоуглеродистой стали. .
Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии проведения противофлокенной термической обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых, а также мало- и среднелегированных марок сталей.
Изобретение относится к металлургии, конкретнее к способам обработки проката ответственного назначения методом термомеханической обработки. .

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в практике заводских лабораторий при исследовании причин разрушения и обоснования механизма необратимого водородного охрупчивания стальных деталей с гальванопокрытием или без него, а также деталей из других металлов, подвергавшихся наводороживанию.

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к способам термической обработки для удаления водорода и повышения пластичности в сталях, преимущественно бейнитного класса.
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для повышения эффективности и сокращения продолжительности обезвоживающих обработок стали. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к удалению водорода в металлах и сплавах, обладающих полиморфизмом, путем термической обработки. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии термической обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых и легированных сталей для удаления флокенов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии термической противофлокенной обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых и легированных сталей

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к термической обработке крупногабаритных кованых заготовок типа обечаек для корпусов нефтехимических реакторов глубокой переработки нефти и другого крупногабаритного нефтехимического оборудования

Изобретение относится к диагностике технического состояния стальных деталей, а именно к способам выявления микротрещин, обусловленных наличием водорода в сталях. Указанный технический результат достигается тем, что способ выявления микротрещин в виде флокенов в стали включает изготовление ударных образцов с надрезом, закалку образцов на мартенсит, их разрушение и выявление на изломе методами световой и/или сканирующей микроскопии мартенситного микрорельефа, свидетельствующего о наличии внутренних трещин, обусловленных водородной хрупкостью. Технический результат изобретения - обеспечение простого и достоверного способа выявления микротрещин - флокенов, обусловленных наличием водорода в стали. 6 ил.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения выносливости мартенситной нержавеющей стали проводят электрошлаковый переплав, затем охлаждают полученный слиток и осуществляют по меньшей мере один аустенитный термический цикл, состоящий в нагреве слитка выше температуры аустенизации с последующей стадией охлаждения. Во время охлаждения, перед тем, как минимальная температура слитка будет ниже температуры Ms, слиток выдерживают выше температуры Ас3 до начала выполнения последующего аустенитного цикла или выдерживают при температуре выдержки, входящей в пределы «носа» феррито-перлитного превращения, в течение времени выдержки, которое является более длительным, чем период, достаточный для максимально возможного преобразования аустенита в феррито-перлитную структуру в слитке при температуре выдержки, причем слиток выдерживают при температуре выдержки сразу после достижения температуры самой холодной точки слитка температуры выдержки, затем выполняют последний аустенитный термический цикл, включающий нагрев слитка выше Ас3 , за которым следует завершающая стадия охлаждения, причем слиток выдерживают при температуре, входящей в пределы «носа» феррито-перлитного превращения, как указано выше, при этом после завершающего охлаждения слиток не подвергают обработке в аустенитном термическом цикле выше. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металловедения и термической обработки поковок из сталей и сплавов и может быть использовано в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при производстве поковок

Наверх