Способ отжига заготовок из нержавеющих сталей и сплавов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союэ Советских

Социалистических

Республик

«i>981396 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13. 05 ° 81(21) 3288785/22-02

)51)М К п з

С 21 D 1/773 с присоединением заявки ¹вЂ” (23) Приоритет—

Государствеииый комитет

СССР по делам изобретеиий и открытий

Опубликовано 15-1282 ° Бюллетень ¹ 46

Дата опубликования описания 15.12.82

)%3) УДК 621 785 ° .34.061(088.8) (12) Авторы изобретения

М. И. Тарасьев, В. В. Ярсыенко и

Днепропетр ский ордена Трудового (71) Заявитель металлургический институт (54) СПОСОБ ОТЖИГА ЗАГОТОВОК ИЗ НЕРЖАВЕЮЩИХ

CTAJIFA И СПЛАВОВ эффективность процесса вакуумного рафинирования в целом.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достига-. емому результату является способ термической обработки железохромистых сплавов, включающий высокотемпературный отжиг заготовок иэ высокохромистой нержавеющей стали в вакууме с окислительным потенциалом 0,100,25 мм рт. ст., создаваемыми за счет напуска углекислого газа . На этом этапе происходит обезуглероживание стали. По окончанию обеэуглероживающего отжига прекращают подачу окислителя и производят дополнительный отжиг при той же температуре

-Ъ и остаточном давлении 1 ° 10

1 - 10 е мм рт. ст. с целью ут жния азота, Недостатком известного способа является следующее. Выдержка в атмосфере с укаэанным окислительным потенциалом не может обеспечить максимальной скорости удаления углерода в течение всего обезуглероживающего отжига, что снижает производительность процесса в целом. Это связано с тем, что недостаток окислителя в газовой фазе, равно как и его избыток, окаэы,25

Изобретение относится к термической обработке, в частности, заготовок из нержавеющих сталей и сплавов.

В современной металлургии для повьхаения коррозионной стойкости и ударной вязкости нержавеющих сталей применяют термическую обработку в вакууме или контролируемых газовых средах. !О

Известен способ термической обработки включающий высокотемпературо ный (1300-1380 C) отжиг в вакууме в течение 8-20 ч с целью обезуглероживанияи дегазации и повышения тем самым эксплуатационных свойств.

В качестве источника окислителя, необходимого для успешного протекания процесса обезуглероживания, ис пользуют остаточную прокатную окалину либо газообразные окислители (например, CO ) (.1) .

Однако дегазация металла при этом протекает недостаточно эффективно, поскольку окисная пленка на поверхности металла в значительной степени затрудняет процесс десорбции азота. Толстая окисная пленка может неблагоприятно сказываться также и на ходе обезуглероживания, что снижает

A. н. Рнбн анна(".;:-.

f (: l; f ч ! н н н, Ъ:. с

Красног Зна йНЫЛ., д::-;

981396 вают отрицательное воздействие на скорость удаления углерода из металла.

При недостатке окислителя снижается скорость самой реакции обезуглероживания, а при его избытке образующаяся на поверхности окисная пленка тормозит удаление газообразных продуктов реакции, что также ухудшает итоги процесса. В начальной стадии отжига, когда содержание углерода в металле велико (как правило, > 0,0б%) 10 дпя его интенсивного удаления необходимо поддержание в атмосфере печи относительно высокого окислительного .потенциала. По мере обезуглероживания стали скорость массопереноса уг- 15 лерода к поверхности раздела металла с газовой фазой снижается, что при поддержании окислительного потенциала на начальном уровне приводит к окислению поверхности заготовок и созданию грубой окисной пленки, резко снижающей скорость процесса на его заключительной стадии.

Укаэанный недостаток не может быть устранен путем выбора какого» либо постоянного значения окислительного потенциала как в указанных пре-. делах, так и вне их, так как наиболее эффективное обезуглероживание имеет место только в том случае, если скорость подвода окислителя из газовой фазы к реакционной поверхности в любой момент времени соответствует скорости поступления к ией углерода из глубинных слоев металла.

Параллельно с удалением углерода на первом этапе процесса частично протекает и деаэотация металла, причем в тем большей степени, чем ниже остаточное давление в печи. Постоянное значение окислительного потенци- 40 ала не обеспечивает оптимальной скорости и этого процесса, поскольку образующаяся окисная пленка препятствует удалению и азота. Глубокая деазотация в этом случае происходит 45 только во время дополнительн и выдержки прн остаточном давлении

1 ° 10" - 1 ° 10 мм рт. ст., что также приводит к увеличению общей длительности вакуумтермической обработки.

Целью изобретения является повышение скорости обезуглероживания и деазотации и увеличение производительности процесса.

Поставленная цель достигается тем,.55 что согласно способу отжига заготовок из нержавеющих сталей и сплавов, включающему нагрев до 1300-1350 С, выдержку в вакууме с окислительным потенциалом, создаваемым эа счет на- 60 пуска газообразного окислителя, дополнительную выдержку при остаточном давлении 1 10" -1 10 мм рт. ст. и охлаждение, в процессе выдержки давление окислителя постепенно снижают 65 во времени в соответствии с уравнением, /C D\" пМ ° Ос р -,» хо(- — «- - ), () где P - давление окислителя (СОл) в момент времени ",Г мм.рт.ст.

Сс, — исходное содержание углеро- . да в металле, Ъг

D. - коэффициент диффузии углерода при температуре отжига, см"г/сг

h - толщина отжигаемой заготовки см время от начала обезуглероживающего отжига, с, k n - константы, определяемые экспериментально в зависимости от температуры и марки стали.

Уравнение (1) получено, исходя иэ уже обоснованного требования постоянного соответствия скоростей подвода окислителя и углерода к реакционной поверхности, т.е.

Йяс 1 2 сгж со

44 сгт (2 )

Здесь скорость массопереносг углерода к реакционной поверхности, г/c, скорость поступления окислителя к реакционной поверхности, г/c, 12

° д — коэффициент, учитывающий стехиометрическое соотношение реагентов в реакции окисления углерода.

Скорость массопереноса углерода в пластине толщиной Ь имеет видг с1юс 8Ссг 5 е c гс Пс — I- ") где S — площадь поверхности пластины, см й.

3 плотность металла, г/см

Скорость поступления окислителя к границе раздела газметалл при прочих равных условиях определяется его давлением в рабочем пространстве и может бить записана в виде: с1дгсо 2„1/и

СО г. где k - коэффициент пропорциональности.

Приравнивая выражения (3) и (4) в соответствии с уравнением (2); после ряда несложных преобразований получаем искомое уравнение (1). Выражение, стоящее перед знаком экспоненты, представляет собой начальное давление окислителя, при котором следует начинать процесс обеэуглероживания. Это

981396 давление для каждой марки стали находится экспериментально или расчетным. путем в зависимости от толщины изделия (h), исходного содержания углерода (Со), температуры, влияющей на величины коэффициента диффузии (Ре) и констант k и .n..

Выражение, стоящее под знаком экспоненты, устанавливает закон, по которому следует снижать давление окис лителя по ходу процесса, чтобы на всем его протяжении поддерживать оп гимальные условия обеэуглероживания.

Сущность предлагаемого способ заключается в следующем.

Заготовки подвергают высокотемпературному отжигу в вакууме с окислительным потенциалом, создаваемым за счет напуска газообразного окислителя (например, СО ) начальное давление которого, как указывалось, определяется толщиной заготовки, ее химическим составом и температурой отжига. B дальнейшем по ходу процесса давление окислителя в рабочем пространстве печи снижают непрерывно или ступенчато в соответствии с программой, которая рассчитывается заранее по уравнению (1). Снижение давления осуществляется путем уменьшения расхода окислителя, подаваемого в печь.

По окончании периода обезуглероживания подачу окислителя прекращают и проводят период дополнительной деаэотации при остаточном давлении

1- 10 — 1 10 мм рт.. ст. Длительность каждого периода и всего отжига в целом (при данной температуре) определяется маркой стали, толщиной заготовки, исходными и требуемыми конечными содержаниями углерода и азота.

На чертеже приведено изменение давления СО в процессе обеэуглероживавщего отжига образцов стали

06Х25.

Пример. Термической обработке в вакууме при 1300 С подвергают плоские образцы из стали 06Х25 толщиной 8 и 4,6 мм. Исходное содержание углерода и азота составляет

0,064 и 0,050% соответственно.

Подачу углекислого газа в печь осуществляют из баллона через редуктор с игольчатым натекателем, при помощи которого производят регулирование расхода газа (а соответственно и его давления в печи).

С целью более детального исследования влияния окислительного потенциала на обеэуглероживание и деазотацию металла после первого этапа отжига процесс прерывают и образцы контролируют на содержание углерода и азота. Затем проводят дополнительную (деазотирувщую) выдержку при остаточном давлении в печи (4-6 ) х 10 4мм рт. ст. Длительность каждой иэ стадий выбирают из расчета получения в готовом металле 0,006-0,009% углерода и азота (по Ту 14-242-157-77 для стали 01Х25 суммарное содержание углерода и азота не должно превышать

0,015% при концентрации каждого

4 0,010а)..

Содержание С и N определяют с точностью 0,0002Ъ.

Параметры ваккумных отжигов и их результаты приведены в таблице.

В опытах 1, 2, 5 и 6 давление окислителя в процессе обеэуглероживающего отжига поддерживают постоянным на нижнем и верхнем пределах, укаэанных в известном способе.

Данные таблицы свидетельствуют, что с повышением давления от 0,1 до 0,25 мм рт. ст. наблюдается не20 которое увеличение скорости обеэуглероживания, однако наряду с этим ухудшается деазотация в первой стадии процесса.

Поддержание в ходе обезуглерожи25 вающего отжига давления СО, превышающего рекомендуемые в прототипе пределы (опыты 3 и 7), также не приводит к желаемым результатам.

Существенное повышение скорости

З0 обеэуглероживания (а в ряде случаев и деаэотации) достигается при непрерывном или ступенчатом уменьшении давления СО в первом периоде процесса по уравнению (1), которое для случая отжига образцов иэ стали

06Х25 принимает вид

Р = 0,35ехр (-0,0002 Г ) для Ь = 0,8 см (5)

Р = О, 6 ехр (- О, 0006 )

40 для h = 0,46 см (6) По уравнениям (5) и (6) рассчита ны кривые, .в соответствии с которыми следует снижать давление СО, в процессе обезуглероживающего отжига (пунктиры на чертеже) . Для этого в уравнения подставляются: значения 6 от О до 2 ч (опыт 4) и от О до

0,7 ч (опыт 8) через каждые 300 с.

Длительность обеэуглероживающего отжига (2 ч и 0,7 ч), как указывалось выбирают из расчета снижения содержания углерода до величин,. требуемых техническими условиями.

Начальное давление СО (при т: О) 2 в соответствии с уравнениями(5) и {6) в опытах 4 и 8 составляет 0,35-и

0 06 мм рт. ст. соответственно.

В дальнейшем в процессе обезуглероживающего отжига, давление СО снижают через каждые 5-10 мин. Изменение давления в ходе обезуглероживающей ста дии опытов 4 и 8 приведено на чертеже (сплошные линии1. В принципе воз65 можно и плавное ведение пРоцесса

981396 с помощью автоматического регулятора . давления.

После окончания первой стадии процесса подачу окислителя прекращают и образцы извлекаются иэ печи.

Затеи после химического анализа металла проводят вторую (деазотирующую) часть выдержки.

Проведение термической обработки по предлагаемому режиму обеспечивает на первой стадии отжига максимальную скорость обезуглероживания при удовлетворительной деазотации. Это. позволяет получить требуемое техническими условиями суммарное содержание углерода и азота (.» 0,015%), в то время, как по прототипу (опыты 1, 2, 5 и 6), при той же общей продолжительности процесса уровень концентрации этих элементов значительно вьые.

Для глубокого рафинирования образцов толщиной 8 мм до суммарного содержания углерода и азота 0,015% длительность изотермической выдержки должна быть увеличена на 4 ч, или на 25%. Стенка 8 мм выбрана для расчета как наиболее распространен10 ная в промышленной практике вакуумного отжига труб из нержавеющих сталей. С учетом неизменной длительности периЬдов нагрева и охлаждения в промышленной печи ОКБ-554АМ (24

15 и 36 ч соответственно) увеличение производительности составляет и 10%.

981 396 т Ф

СЧ СЧ о о с с о о

° Ф фЧ Ю о

О»

Ю

С»

С»

ОЪ о о о о с о о

1О

Ю о с

IO о .о о о

° с, с о о ф т "3 о о с е о о

° 4

°

Ю с.

С»

CO

Ю

Ю

Ю ! Ъ

Ю

< Ъ

° 4

Ю

Ю! с с

С1»

1Х

Д Э

I НН 1

os о >ь

I Х О Х

I ДХХ

IGLOO

IНЭЭ!

I

1 !

I

I ! о

I с-!

I

1

С»

%-Ч о о сЧ

C»I ОЪ а е о о с е о о е!

°:11

Ю с

С»! с

lA

Ю с

С» О

Ю

С»

С»

СЧ

° 0Ъ ь с о

CO 1Ч

С Ъ Ф о о с ас о о

<1)

Г Ъ

С» с

0»

Ф1Ъ

Ю

М

Ю! с

СЧ

С» с

cv (1Ъ о

С»

CO

С» о

° У!

С» с

Ю ь Г Ъ

С»

С» г4 1 !

Ч т.! о с с с о о

Ю 4

Ю с

1» с

1с

С»! с с Ю

1 !

I

CO !

1О Ю с

° Ф Ф

0» О»!

О О» ео с оо в ч! о о

ОЪ

tV 3 с ° о о

° Ф

I 1 I

I I Z I m

1 1 1 С Ъ

Э t+ to

I Х 1 с

Х 1u to

П34Р 1 I

1 Щ I—

A э

1 Эф! С»

ЦОI С»

I ОН!К ох! to а 1 4

ЭЯ111 оэ!

ХЦ! !о

Wctu

Э ! о х о

1 Х 1 1

1 Д с

1 1 Н а3 I ! хоо

О1:ОО

ФЦхэ t(÷

Д И 1 1 С-! @3@ ! !»хна

1 1 1

1 д 6 1 ох 1

1 Н Х 1 п хК z I ч»

160 + lo

1 ЕР ICOSI

I 66 I l o

1 Ц gIttI I I

I 5411@» с ! С1Ъ

erne IZ1 о

I Х6411

I МООРà — Ч и и!

I аЭО! 1!Ч !

ЭЦ tuto

ao1», оох to ! Оах t

1 I

Г I

I 1

1!ХЬ 1

1 I Э Х I д к х

I Ц4(661

I ЭДNР»4 t ннвхх !!ч

x o e I! и ! кoeot t ! дхоао!

1 I

I в

1 ХО@

I ИО

I oie

1Е ХО н о

1 ! 1 ! мН 1 4 ! t»,îo1 02 I o

X 1

I 1

1 1: I

I f I а-1 о й У О1 ОЪ !

Ъ Н о о о

O 4Ь С1 о о о

1» I а.1 I

Ю I

° в!.о !

Ч) 1 о !

Ю I с1 о !

tO 1 о l

Ю I 1 о !

1

1 (», о

1, с,!., о

1 р а

I

СО

I

m 1

° 1 д о !

° . ю 1 н. о о н

< 1Ъ 1 р о о !

Ch о о I

О 1

1 с сч

1 с

1! !

t 1 2 с! Н

Ю 1 2 (»

1 (Э

1 х

° 3 1

Р

1 !

Ю тЧ

° с

o o l p, 1

CO 1

981396

10

Ри

6,5

Составитель И. Липгарт

Редактор А. Гулько Техред Т.Маточка Корректор Г. Решетник

Заказ 9637/38 Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1130.35, Москва, Х-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Формула изобретения

Способ отжига заготовок из нержавеющих сталей и сплавов, включающий нагрев до 1300-135(P С, выдержку в вакууме с окислительным потенциалом, создаваемым за счет напуска газообразного окислителя, дополнительную выдержку при остаточном давлении

1 ° 10 - 1 ° 10 мм рт ° ст. и охлаждение, отличающийся тем, . что, с целью повышения скорости обезуглероживания и деаэотации и увеличения производительности, в процессе выдержки давление окислителя постепенно снижают во времени в соответствии с уравнением где Р— давление окислителя в момент времени, мм рт. ст

С - исходное содержание углерода в металле, %, D© — коэффициент диффузии углерода при температуре отжига, сМ с, h — толщина отжигаемой заготовки, см, c — время от начала обезуглероживающего отжига, с.

° k u n. — константы, определяемые экспериментально в зависимости от темпеоатуры и марки стали.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР

Р 199178, кл, С 21 D 1/78, С 21 D 1/32, 1965.

20 2. Авторское свидетельство СССР

Р 431243, кл. С 21 D 1/773, 1972.