Способ термомеханической обработки стальных изделий

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке высокопрочных изделий, работающих при воздействии значительных динамических и циклических нагрузок. Для повышения ударной вязкости, усталостной долговечности и трещиностойкости стальных изделий при сохранении их прочности за счет формирования в стали дисперсной смешанной мартенсито-бейнитной структуры, надежности высокопрочных изделий способ включает нагрев заготовки до температуры аустенизации, пластическое деформирование, промежуточное охлаждение в область температур мартенситного превращения, дополнительный нагрев до температуры промежуточного (бейнитного) превращения 350°C и окончательное охлаждение, при этом промежуточное охлаждение после пластического деформирования осуществляют в расплаве селитры, нагретом до температуры 180-270°C, а пластическое деформирование заготовки осуществляют со степенью 20-40%. 2 ил.

 

Предлагаемый способ относится к области машиностроения и может применяться для повышения механических свойств высокопрочных деталей, работающих при воздействии значительных динамических и циклических нагрузок.

Основными недостатками сталей в высокопрочном состоянии являются низкие показатели ударной вязкости, усталостной долговечности и трещиностойкости.

Известен способ термомеханической обработки стальных изделий (а.с. СССР №1321075, опубл. 10.06.1999, МПК C21D 8/00), включающий нагрев до температуры аустенизации, охлаждение, нагрев в межкритический интервал, выдержку, деформацию при этой температуре и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности и ударной вязкости, выдержку в межкритическом интервале осуществляют с обеспечением перераспределения легирующих элементов. После деформации осуществляют дополнительный нагрев до температуры закалки, подстуживание в воде до температуры 15-30°C с выдержкой и охлаждение на воздухе.

Основным недостатком данного способа является повторный нагрев до температуры закалки, что приводит к дополнительным затратам на проведение термомеханической обработки.

Известен также способ термомеханически регламентированной обработки стальных изделий (заявка на изобретение РФ №96106747, опубл. 20.07.1998, МПК C21D 1/78), включающий аустенизацию, пластическую деформацию, подстуживание, формообразование для уменьшения разнозернистости и получения заданных механических свойств, подстуживание осуществляют со скоростью 70°C/с до температуры выше температуры начала мартенситного превращения. Последующий нагрев производят до температуры выше А_С3 на 20-40°C и изотермическую выдержку при этой температуре, а на последнем переходе осуществляют деформацию со степенью 5-8%.

Основным недостатком данного способа является то, что в стали формируется структура бейнита, не обладающая высоким уровнем прочности и твердости, поэтому изделия, упрочненные таким способом, не могут эксплуатироваться при воздействии значительных динамических и циклических нагрузок.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ термомеханической обработки стальных изделий (прототип) (Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1968, т. 1, с.695), включающий нагрев до температуры аустенитизации, пластическую деформацию в процессе изотермической выдержки, охлаждение в области мартенситного превращения до комнатной температуры (закалку) и заключительный отпуск.

Основным недостатком данного способа является то, что в стали в результате закалки формируется структура мартенсита, обладающая высокими внутренними напряжениями, которые могут релаксироваться появлением закалочных микротрещин, что приводит к снижению показателей ударной вязкости, усталостной долговечности и трещиностойкости стальных изделий.

Задачей (техническим результатом) является повышение ударной вязкости, усталостной долговечности и трещиностойкости стальных изделий при сохранении их прочности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе термомеханической обработки стальных изделий, включающем нагрев заготовки до температуры аустенизации, пластическое деформирование, промежуточное охлаждение в область температур мартенситного превращения, дополнительный нагрев до температуры промежуточного (бейнитного) превращения 350°C и окончательное охлаждение, промежуточное охлаждение после пластического деформирования осуществляют в расплаве селитры, нагретом до температуры 180-270°С, а пластическое деформирование заготовки осуществляют со степенью 20-40%. На фиг. 1 представлена схема высокотемпературной термомеханической обработки, реализующая способ, на фиг. 2 - таблица механических свойств стали 40Х2Н2МА после различных видов термического упрочнения.

Способ осуществляют следующим образом.

Нагревают заготовку до температуры аустенизации и производят пластическое деформирование заготовки со степенью 20-40%. Пластическое деформирование заготовки после нагрева до температуры аустенитизации со степенью 20-40% обеспечивает формирование в аустените полигонизованной равноосной субзеренной структуры с высокой стабильностью против статической рекристаллизации. При горячей деформации со степенью менее 20% в стали формируется крупнозернистая структура аустенита, что снижает эффект от термомеханической обработки. Увеличение степени деформации более 40% является нерациональным, т.к. не приводит к дальнейшему значительному уменьшению размера зерен в рекристализованной структуре аустенита после горячей деформации. Затем производят промежуточное охлаждение заготовки в расплаве селитры, нагретом до температуры 180-270°С. Охлаждение в расплаве селитры обеспечивает ускоренное охлаждение заготовки до температуры расплава селитры, в результате чего происходит частичный распад аустенита с образованием в стали 40-60% мартенситной фазы. Уменьшение температуры расплава селитры менее 180°С приводит к увеличению количества мартенсита (более 60%) и снижению усталостной долговечности и трещиностойкости стальных изделий. Обработка при температуре более 270°С увеличивает долю бейнитной составляющей и приводит к снижению прочностных характеристик стальных изделий. Затем осуществляют повторный нагрев заготовки до температуры промежуточного (бейнитного) превращения 350°. При этом оставшийся аустенит превращается в структуру нижнего бейнита, а образовавшийся ранее мартенсит отпускается. После чего производят окончательное охлаждение изделия.

Предлагаемая обработка имеет ряд достоинств. Горячая деформация приводит к измельчению зерен аустенита, способствует формированию при охлаждении развитой субструктуры α - твердого раствора и измельчению пластин мартенсита и бейнита. При обработке по предлагаемому способу мартенситное превращение характеризуется своей незавершенностью. Мартенситные кристаллы окружены аустенитом, обеспечивающим релаксацию внутренних напряжений в стали. Кроме того, мартенсит преимущественно образуется в микрообъемах, обедненных углеродом и обладающих повышенной температурой начала мартенситного превращения М_н, что способствует образованию в структуре стали реечного мартенсита, характеризующегося повышенной трещиностойкостью. В результате такой обработки в стали формируется мелкодисперсная смешанная структура, состоящая из нижнего бейнита и продуктов отпуска мартенсита, обеспечивающая повышенную ударную вязкость, усталостную долговечность и трещиностойкость материала изделия при сохранении его высокой прочности.

Пример конкретного выполнения термомеханической обработки изделий из стали марки 40Х2Н2МА со смешанным мартенсито-бейнитным превращением аустенита по предлагаемому способу.

Заготовки из стали нагревают до температуры аустенитизации 910°С и выдерживают при этой температуре в течение 20 минут. Затем производят деформацию заготовок со степенью 40% с последующим ускоренным охлаждением в расплаве солей при температуре 270°С в течение 5 минут. Дальнейшую изотермическую выдержку производят в камерной печи при температуре промежуточного превращения 350°С. Окончательное охлаждение полученных изделий осуществляют на спокойном воздухе.

Способ высокотемпературной термомеханической обработки стальных изделий с мартенсито-бейнитным превращением аустенита (ВТММБ) позволяет обеспечить их высокую прочность, ударную вязкость, усталостную долговечность и трещиностойкость. Стальные изделия, обработанные по технологии ВТММБ, при сопоставимых показателях прочности имеют показатели ударной вязкости полтора раза, а усталостной долговечности при малоцикловой усталости в два раза выше по сравнению с изделиями, упрочненными по известной технологии высокотемпературной термомеханической обработки. Новый технологический процесс целесообразно применять для упрочнения поковок деталей машин, изготавливаемых с использованием технологии горячей объемной штамповки.

Преимущества предлагаемого способа перед прототипом показаны в таблице, приведенной на фиг. 2.

Способ термомеханической обработки стальных изделий, включающий нагрев изделия до температуры аустенизации, пластическое деформирование, промежуточное охлаждение в область температур мартенситного превращения, дополнительный нагрев до температуры промежуточного бейнитного превращения 350°C и окончательное охлаждение, отличающийся тем, что промежуточное охлаждение после пластического деформирования осуществляют в расплаве селитры до температуры 180-270°C, а пластическое деформирование заготовки осуществляют со степенью 30-40%.