Способ термической обработки высокодемпфирующей стали

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки высокодемпфирующих сталей и сплавов высокого демпфирования на основе системы железо - алюминий с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7 мас.% и может быть использовано для улучшения вибро- и шумопоглощающих свойств высокодемпфирующих сталей и сплавов, применяющихся в качестве конструкционных материалов. Способ термической обработки высокодемпфирующих сталей и сплавов высокого демпфирования на основе железа с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7 мас.% включает нагрев до температуры 970-1060°С, выдержку в течение 0,6-2,0 часов и ступенчатое охлаждение. Нагрев ведут со скоростью не менее 50°С в час, а охлаждение ведут ступенчато от температуры максимального нагрева до температуры 570°С со скоростью 150°С - 240°С в час, от температуры 570°С до 335°С охлаждение проводят со скоростью 380°С - 460°С в час, а окончательное охлаждение от 335°С до комнатной температуры осуществляют со скоростью 120°С - 360°С в час. Обеспечивается увеличение удельной демпфирующей способности. 2 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а точнее к способам термической обработки высокодемпфирующих сталей с повышенным содержанием алюминия и сплавов высокого демпфирования на основе системы Fe-Al с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7 массовых 20%, и может быть использовано для улучшения вибро- и шумопоглощающих свойств высокодемпфирующих сталей и сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов, в том числе сталей, соответствующих по химическому составу области концентрации легирующих элементов, защищенных патентным документом RU 2721262 МПК С22С 38/52.

Высокодемпфирующие стали являются металлическими материалами, которые обладают одновременно высокими механическими свойствами, присущими сталям и сплавам, и высоким внутренним поглощением энергии упругих колебаний, т.е. демпфирующей способностью, которая является характерным признаком органических материалов, в том числе пластиков и древесины. Высокодемпфирующие стали и сплавы высокого демпфирования используются для борьбы с шумом и вибрацией в различных технических устройствах. Основное различие между сплавом высокого демпфирования и высокодемпфирующей сталью заключается в том, что для изготовления высокодемпфирующих сталей используется, как правило, высокопроизводительное металлургическое оборудование современных металлургических предприятий. Высокодемпфирующее состояние реализуется в высокодемпфирующих сталях определенного химического состава за счет формирования специальной структуры материала, которая достигается в процессе термической обработки этих сталей. Высокий уровень демпфирующей способности в материалах типа "высокодемпфирующая сталь" и "сплав высокого демпфирования" реализуется не только путем достижения определенного химического состава материала, но и путем применения специальной термической обработки.

Известна сталь для поглощения вибрации и метод ее получения. Для достижения высокого уровня демпфирующей способности сталь подвергается горячей прокатке, после чего сразу же подвергается нагреву до температуры от 890°С до 950°С, после чего осуществляется быстрое охлаждение стали до температуры ниже 200°С со скоростью не менее 10°С/с, затем сталь повторно нагревается до температуры не ниже 500°С и не выше 700°С со скоростью от 0,2°С/с до 5°С/с, и после достижения требуемой температуры нагрева сталь выдерживается при этой температуре не менее 5 минут (патент Японии JP 4066908; МПК C21D 8/02; С22С 38/00; С22С 38/06; опубликован 26 марта 2008 года, заявитель - корпорация Sumitomo Metal Ind.).

Недостатком этого способа термической обработки является сравнительно невысокий уровень демпфирующей способности при обработке сталей с повышенным содержанием алюминия, т.к. при термической обработке сталей с повышенной концентрацией алюминия требуется осуществлять нагрев материала до более высоких температур.

Известен высокодемпфирующий сплав на основе железа и способ его производства. Способ производства высокодемпфирующего сплава на основе железа с содержанием алюминия до 5% по массе включает нагрев до температуры не ниже точки Ас3 и не выше 1200°С, горячую прокатку материала с температурой окончания прокатки не ниже чем на 50°С выше точки Ar3 со степенью обжатия 45%, последующий нагрев до температуры не ниже 830°С и осуществление термической обработки в течение не менее 90 минут (заявка на патент Японии JP 2002294408; МПК C22D 8/02; С22С 38/00; С22С 38/34; опубликована 09 октября 2002 года, заявитель - корпорация Nippon Steel Corp.).

Недостатком этого способа термической обработки является то обстоятельство, что скорость охлаждения материала в ходе термической обработки никак не регламентируется. В высокодемпфирующих сталях с повышенным содержанием алюминия реализуется магнитомеханический механизм внутреннего поглощения энергии упругих колебаний, и упругая энергия поглощается в ходе необратимых гистерезисных смещений стенок магнитных доменов, находящихся, преимущественно, в 90-градусной взаимной ориентации (статья Chudakov I.B. et al., On the Formation of High Damping State in Fe-Al and Fe-Cr Alloys, журнал Solid State Phenomena, 2008, Vol. 137, pp. 109-118). Магнитная доменная структура чувствительна к скорости охлаждения материала при термической обработке и при высоких скоростях охлаждения, например в ходе закалки, демпфирующая способность высокодемпфирующих сталей является низкой, как это показано в вышеуказанной статье. Таким образом, в случае высоких скоростей охлаждения материала заявленный способ термической обработки не может быть использован для обеспечения высокого уровня удельной демпфирующей способности высокодемпфирующих сталей с повышенным содержанием алюминия.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату к заявляемому изобретению является способ обработки сплава высокого демпфирования, описанный в патенте: "Новый Fe-Al сплав и способ его получения". Для достижения высокого уровня демпфирующей способности сплав, содержащий от 2 до 12 массовых процентов алюминия, подвергается горячей пластической деформации, затем холодной прокатке со степенью обжатия не менее 5%, а после холодной прокатки сплав подвергается отжигу при температуре от 400°С до 1200°С. Согласно описанию изобретения, сплав подвергается холодной прокатке со степенью обжатия более 5%, предпочтительно 20-95%, после чего сплав подвергается отжигу в диапазоне температур от 400°С до 1200°С, предпочтительно от 600°С до 850°С с продолжительностью отжига от 30 минут до 2 часов, после чего Fe-Al сплав охлаждается от температуры отжига до 600°С со скоростью не более 10°С/мин, предпочтительно со скоростью от 1°С/мин до 5°С/мин, а ниже 600°С сплав подвергается естественному охлаждению, либо охлаждению с более низкой скоростью. В качестве варианта для сравнения в описании изобретения приводится термическая обработка Fe-Al сплава, предварительно подвергнутого горячей прокатке, включающая отжиг при температуре 900°С в течение 1 часа с последующим естественным охлаждением образцов с печью, при этом в случае варианта для сравнения холодная прокатка материала не применялась (патент Японии JP 5185613; МПК C21D 9/46; С22С 38/00; С22С 38/06; описание; патент опубликован 17 апреля 2013 года; прототип).

Недостатком этого способа термической обработки является недостаточно высокий уровень удельной демпфирующей способности SDC для высокодемпфирующих сталей с повышенным содержанием алюминия.

Техническим результатом изобретения является увеличение удельной демпфирующей способности высокодемпфирующих сталей и сплавов высокого демпфирования с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7% по массе.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе термической обработки высокодемпфирующих сталей и сплавов высокого демпфирования с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7% по массе, включающем нагрев до температуры 970-1060°С, выдержку в течение 0,6-2,0 часов и ступенчатое охлаждение, согласно изобретению, нагрев ведут со скоростью не менее 50°С в час, а охлаждение ведут ступенчато от температуры максимального нагрева до температуры 570°С со скоростью 150°С - 240°С в час, от температуры 570°С до 335°С охлаждение проводят со скоростью 380°С - 460°С в час, а окончательное охлаждение от 335°С до комнатной температуры осуществляют со скоростью 120°С - 360°С в час.

Нагрев материала до высокой температуры в процессе термической обработки, а именно до температуры от 970°С до 1060°С, и выдержка от 0,6 часа до 2,0 часов в ходе термообработки обеспечивают эффективную релаксацию внутренних напряжений в металле, что является необходимым для достижения высокой подвижности границ магнитных доменов и, тем самым, для достижения высокой удельной демпфирующей способности материала. Нагрев материала до температуры менее 970°С не обеспечивает достижение высокого уровня удельной демпфирующей способности. Нагрев материала в ходе термической обработки до температуры выше 1060°С приводит к чрезмерному росту размера зерна, что сопровождается ухудшением демпфирующих свойств материала и ухудшением его механических свойств. Выдержка материала при температуре от 970°С до 1060°С менее 0,6 часа не обеспечивает достижение высокого уровня удельной демпфирующей способности материала, а выдержка в этом диапазоне температур свыше 2,0 часов приводит к ухудшению механических свойств материала.

Охлаждение материала со скоростью от 150°С/час до 240°С/час в интервале температур начиная с 970-1060°С до 570°С обеспечивает формирование в материале оптимальной кристаллической и магнитной доменной структуры, при этом охлаждение с вышеуказанной скоростью в области высоких температур, т.е. от 970-1060°С до температуры Кюри материала (т.е. до ~730°С), обеспечивает уменьшение уровня внутренних напряжений в материале и оптимизирует распределение в нем карбонитридных фаз, а охлаждение с вышеуказанной скоростью от температуры Кюри материала (т.е. от ~730°С) до 570°С обеспечивает формирование специальной магнитной доменной структуры материала, отличающейся повышенной дисперсностью и повышенной объемной долей 90-градусных границ магнитных доменов. При охлаждении в интервале температур от 970-1060°С до 570°С со скоростью свыше 240°С в час или менее 150°С в час удельная демпфирующая способность материала уменьшается.

Охлаждение сплавов со скоростью от 380°С в час до 460°С в час в интервале температур от 570°С до 335°С обеспечивает формирование тонкой кристаллической структуры материала, отличающейся оптимальной степенью ближнего порядка сверхструктуры типа D0₃ (Fe₃Al), что обеспечивает достижение оптимального уровня гистерезисных потерь при необратимых смещениях стенок магнитных доменов и, тем самым, достижение максимального уровня удельной демпфирующей способности. Охлаждение сплавов в интервале температур от 570°С до 335°С со скоростью свыше 460°С/час приводит к ухудшению демпфирующей способности материала, а охлаждение в этом интервале температур со скоростью менее 380°С/час приводит к ухудшению пластичности материала благодаря интенсивному развитию процессов упорядочения.

Охлаждение материала в интервале температур от 335°С до комнатной температуры со скоростью от 120°С в час до 360°С в час обеспечивает дополнительную релаксацию внутренних напряжений в материале, при этом увеличение скорости охлаждения свыше 360°С в час приводит к уменьшению его демпфирующей способности, а охлаждение материала со скоростью менее 120°С в час является нецелесообразным с технологической точки зрения.

ПРИМЕР 1. Проводилась термическая обработка высокодемпфирующей стали с повышенным содержанием алюминия, содержащей 5,6% алюминия по массе, 0,065% кремния по массе, 0,008% углерода по массе, дополнительно содержащей легирующие элементы в суммарном количестве 0,25% по массе. После выплавки сталь подвергалась ковке и горячей прокатке на сортовом стане с изготовлением прутка диаметром 10 мм. После механической обработки (изготовление образцов для испытаний демпфирующей способности) проводили термическую обработку материала в вакууме с выдержкой при температуре 1000°С в течение 1 часа и последующим охлаждением в соответствии с прототипом (описание) и в соответствии с заявленным режимом термической обработки. Удельную демпфирующую способность материала в диапазоне амплитуд колебаний определяли на автоматизированной установке ЦНИИчермет, собранной по схеме обратного изгибного маятника, на стандартных образцах сложного сечения с многократным уменьшением момента инерции сечения в рабочей области образца. После термической обработки в соответствии с прототипом при температуре 1000°С в течение 1 часа с последующим охлаждением с печью со средней скоростью охлаждения 360°С/час сталь обладала максимальной удельной демпфирующей способностью SDCmax=27%. После термической обработки в соответствии с заявленным режимом при температуре 1000°С в течение 1 часа с последующим ступенчатым охлаждением материала в ходе термообработки (охлаждение от 1000°С до 570°С осуществлялось со скоростью 150°С/час, в диапазоне температур от 570°С до 335°С - со скоростью 460°С/час, от 335°С до комнатной температуры охлаждение проводилось со скоростью 120°С/час) величина максимальной удельной демпфирующей способности материала существенно возросла и достигла значения SDCmax=35%, что подтверждает достижение заявленного технического результата.

ПРИМЕР 2. Проводилась термическая обработка высокодемпфирующей стали с повышенным содержанием алюминия, содержащей 5,6% алюминия по массе, 0,065% кремния по массе, 0,008% углерода по массе, дополнительно содержащей легирующие элементы в суммарном количестве 0,25% по массе. После выплавки сталь подвергалась ковке и горячей прокатке до толщины листа 3,5 мм с последующей холодной прокаткой до толщины листа 2,1 мм. После вырезки плоских образцов проводили термическую обработку материала в вакууме с выдержкой при температуре 1000°С в течение 1 часа и последующим охлаждением в соответствии с прототипом (описание) и в соответствии с заявленным режимом термической обработки. Удельную демпфирующую способность материала в диапазоне амплитуд колебаний определяли на автоматизированной установке ЦНИИчермет, собранной по схеме обратного изгибного маятника, на образцах для измерения демпфирующих характеристик листовых материалов. После термической обработки при температуре 1000°С в течение 1 часа с последующим охлаждением с печью (прототип) со средней скоростью охлаждения 360°С/час сталь обладала максимальной удельной демпфирующей способностью SDCmax=29%. После термической обработки в соответствии с заявленным режимом при температуре 1000°С в течение 1 часа с последующим ступенчатым охлаждением материала в ходе термообработки (охлаждение от 1000°С до 570°С осуществлялось со скоростью 240°С/час, в диапазоне температур от 570°С до 335°С - со скоростью 380°С/час, от 335°С до комнатной температуры охлаждение проводилось со скоростью 360°С/час) величина максимальной удельной демпфирующей способности материала существенно возросла и достигла значения SDCmax=39%, что подтверждает достижение заявленного технического результата.

Способ термической обработки высокодемпфирующих сталей и сплавов высокого демпфирования на основе железа с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7 мас.%, включающий нагрев до температуры 970-1060°С, выдержку в течение 0,6-2,0 часов и ступенчатое охлаждение, отличающийся тем, что нагрев ведут со скоростью не менее 50°С в час, а охлаждение ведут ступенчато от температуры максимального нагрева до температуры 570°С со скоростью 150°С - 240°С в час, от температуры 570°С до 335°С охлаждение проводят со скоростью 380°С - 460°С в час, а окончательное охлаждение от 335°С до комнатной температуры осуществляют со скоростью 120°С - 360°С в час.