Способ термической обработки конструкционных сталей на высокопрочное состояние

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке изделий конструкционных сталей. Для повышения ударной вязкости стали при сохранении высоких значений показателей твердости и прочности стальное изделие закаливают на мартенсит, после чего при комнатной температуре подвергают в течение 10-15 минут воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ, которое дополняют воздействием колеблющихся в пульсирующем воздушном потоке металлических пустотелых шариков, размещенных вдоль поверхности обрабатываемого изделия в виде параллельных рядов цепочек, в виде сетки из пересекающихся цепочек шариков или установленных в ячейки проволочной сетки. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, а более конкретно к термической обработке, в частности к термической обработке конструкционных сталей. В качестве высокопрочных нашли промышленное применение легированные конструкционные улучшаемые стали, в том числе такие, как сталь 40Х.

Высокопрочное состояние достигается закалкой на мартенсит, а уменьшение хрупкости и частичное снятие остаточных закалочных напряжений - отпуском при температуре 200-250°C продолжительностью 1,5-2 ч. В процессе эксплуатации изделия, подвергнутые термической обработке на высокопрочное состояние испытывают не только статические, но и динамические нагрузки. Актуальной является задача повышения ударной вязкости высокопрочной конструкционной стали при сохранении высоких значений показателей твердости и прочности.

Известен способ снятия остаточных напряжений на поверхности металлических изделий (патент RU 2458155 C1, 10.08.2012, Бюл. №22).

Снятие растягивающих остаточных напряжений на поверхности металлических изделий осуществляют за счет воздействия на них пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ при комнатной температуре.

Основным недостатком данного известного способа является отсутствие в результате его применения повышения прочности и твердости обрабатываемого изделия.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ термической обработки конструкционных сталей на высокопрочное состояние (Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. - 2012. №3, с.13-14), принятый в качестве ближайшего аналога.

Стальное изделие закаливается на мартенсит стандартно для стали данной марки, после чего при комнатной температуре размещается на выходе из резонатора установки и подвергается в течение 10-15 мин воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ, оказывающего комплексное влияние на метастабильную структуру мартенсита и способствующее протеканию в ней процессов, аналогичных превращениям при низком отпуске, вызывая при этом более значительное, чем при низком отпуске снижение остаточных напряжений.

Механические свойства сталей 40Х и 38ХС после описанной обработки более высокие в сравнении со свойствами после стандартной обработки на высокопрочное состояние, заключающейся в закалке и последующем низком отпуске. При твердости в среднем на 2 единицы HRC выше и более высоких значениях показателей прочности значения показателей пластичности и ударной вязкости не уступают стандартным.

Данный способ позволяет сократить в 3-4 раза продолжительность технологического процесса термической обработки конструкционных сталей на высокопрочное состояние при сохранении высоких значений показателей твердости и прочности и обеспечении достаточной надежности.

Основным недостатком данного известного способа является невысокое значение показателей ударной вязкости, а стало быть, и надежности стали.

Перед изобретением поставлена задача повышения ударной вязкости высокопрочной конструкционной стали при сохранении высоких значений показателей твердости и прочности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что стальное изделие закаливают на мартенсит стандартно для стали данной марки, после чего при комнатной температуре подвергают в течение 10-15 мин воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ, которое дополняют воздействием колеблющихся в пульсирующем воздушном потоке металлических пустотелых шариков, размещенных вблизи поверхности обрабатываемого изделия в виде параллельных рядов цепочек, в виде сетки из пересекающихся цепочек шариков или установленных в ячейки проволочной сетки.

Таким образом изобретение позволило получить технический результат, а именно повысить ударную вязкость высокопрочной конструкционной стали при сохранении высоких значений показателей твердости и прочности.

Изобретение реализуется следующим образом: стальное изделие закаливают на мартенсит стандартно для стали данной марки, после чего при комнатной температуре крепят в установке, генерирующей пульсирующий газовый поток и подвергают в течение 10-15 мин воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ, которое дополняют воздействием на поверхность изделия колеблющихся в пульсирующем воздушном потоке металлических пустотелых шариков, размещенных вблизи поверхности обрабатываемого изделия в виде параллельных рядов цепочек, в виде сетки из пересекающихся цепочек шариков или установленных в ячейки проволочной сетки.

Пустотелые стальные шарики, размещенные вблизи поверхности обрабатываемого изделия, колеблясь в газовом потоке, упруго взаимодействуют с поверхностью изделия, передавая последнему свою кинетическую энергию и вызывая распространение в нем в дополнение к плоским сферических механических волн, оказывающих дополнительное влияние на структурные превращения, процесс релаксации остаточных напряжений и механические свойства.

Поскольку сферические волны в заявляемом способе генерируются большим количеством источников, происходит наложение волн, что усиливает воздействие на дислокационную структуру металлического материала.

Принципиальным отличием заявляемого способа от других способов обработки изделий металлическими шариками, в частности дробеструйной обработки, является отсутствие в случае обработки пульсирующим дозвуковым воздушным потоком с дополнительным воздействием стальных пустотелых шариков макропластической деформации поверхности изделия, что делает данный способ пригодным для применения в отношении тонкостенных изделий и изделий с высокой чистотой поверхности.

Обработка пульсирующим дозвуковым воздушным потоком с дополнительным воздействием стальных пустотелых шариков применялась к стандартно закаленным образцам из стали 40Х.

Вдоль плоской поверхности образца размещались пустотелые стальные шарики диаметром 2,4-3,2 мм. Затем образцы устанавливались на выходе из резонатора установки плоскостью с шариками навстречу воздушному потоку, и осуществлялось воздействие пульсирующим воздушным потоком частотой 1130-2100 Гц и звуковым давлением 120-140 дБ в течение 10-15 мин, сопровождавшееся колебаниями стальных шариков возле поверхности образцов и упругим взаимодействием с ней.

Результаты механических испытаний показали, что ударная вязкость обработанной таким образом стали не менее чем на 20% выше, чем в случае обработки пульсирующим дозвуковым воздушным потоком без использования шариков при сохранении высоких значений показателей твердости и прочности.

Таким образом изобретение позволило получить технический результат, а именно: повысить ударную вязкость высокопрочной конструкционной стали при сохранении высоких значений показателей твердости и прочности.

1. Способ термической обработки изделий конструкционной стали, включающий закалку на мартенсит и последующее воздействие на них пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ, отличающийся тем, что воздействие пульсирующего дозвукового воздушного потока дополняют воздействием колеблющихся в нем металлических пустотелых шариков, размещенных вдоль поверхности обрабатываемого изделия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шарики размещают в виде параллельных рядов цепочек.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что шарики размещают в виде сетки из пересекающихся цепочек.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что шарики устанавливают в ячейки проволочной сетки.