RU2255984C1

RU2255984C1 - Tempering method for hardened articles of structural and tool steel

Info

Publication number: RU2255984C1
Application number: RU2004102272/02A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Недоспасов (RU); Л.А. Недоспасов; А.А. Помазан (RU); А.А. Помазан; К.В. Лежнин (RU); К.В. Лежнин; А.В. Пуйко (RU); А.В. Пуйко; С.А. Немцев (RU); С.А. Немцев; занцев Ю.М. Р (RU); Ю.М. Рязанцев; Л.А. Щавлева (RU); Л.А. Щавлева; Леонид Николаевич Дейнеко (UA); Леонид Николаевич Дейнеко; Александр Григорьевич Величко (UA); Александр Григорьевич Величко; Владимир Иванович Большаков (UA); Владимир Иванович Большаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "ТРУБОДЕТАЛЬ"
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-07-10

Abstract

FIELD: steel hardening, particularly for heat treatment of articles made of structural or tool steel.

SUBSTANCE: method involves heating article at least in two stages and isothermic tempering thereof after each heating stage; cooling the article in coolant up to coolant boiling stopping. The first heating stage is performed under 180°-260°C, the last one is carried out under temperature of not more than A_cl-20°C. Water under temperature of not less than 80ºC or aqueous ambient medium having maximal heat-transfer coefficient corresponding to temperature of not less 250°C are used as the coolant. Aqueous ambient medium may be 3-26% aqueous solution of NaCl, 10-50% aqueous solution of NaOH or bischofite with 1.1-1.32 kg/m³ density.

EFFECT: optimization of process parameters.

3 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к термообработке и может быть использовано для отпуска закаленных изделий из конструкционных и инструментальных сталей.The invention relates to heat treatment and can be used for tempering tempered products from structural and tool steels.

Способ отпуска предусматривает нагрев до температуры ниже A_c1 (нижней критической точки при нагреве, соответствующей максимальной температуре, при которой в металле еще существует фазовое равновесие), выдержку при этой температуре и последующее охлаждение (см. Энциклопедия неорганических материалов, Киев, Главная редакция Украинской Советской Энциклопедии, 1977, т.2. с.131-133).The tempering method involves heating to a temperature below A _c1 (the lower critical point during heating corresponding to the maximum temperature at which phase equilibrium still exists in the metal), holding at this temperature, and subsequent cooling (see Encyclopedia of Inorganic Materials, Kiev, Main Edition of Ukrainian Soviet Encyclopedias, 1977, vol. 2, pp. 131-133).

В зависимости от температуры различают отпуск низкий (120-250°С), средний (250-450°С) и высокий (450-650°С). Низкий отпуск применяют для снятия закалочных напряжений в изделиях, которые должны отличаться высокой поверхностной твердостью. Средний отпуск применяют, главным образом, для обработки пружинных и рессорных сталей, т.к. он обеспечивает высокую упругость стали при достаточной прочности и приемлемой вязкости.Depending on the temperature, there is a vacation of low (120-250 ° C), medium (250-450 ° C) and high (450-650 ° C). Low tempering is used to relieve quenching stresses in products that must have high surface hardness. Average tempering is used mainly for the treatment of spring and spring steels, as it provides high elasticity of steel with sufficient strength and acceptable toughness.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому эффекту и выбранным в качестве прототипа является высокий отпуск, которому подвергают детали конструкций и машин, добиваясь повышения ударной вязкости при достаточной прочности и твердости.The closest in technical essence, the achieved effect and selected as a prototype is the high tempering, which is subjected to parts of structures and machines, seeking to increase toughness with sufficient strength and hardness.

Однако в случае однократного отпуска при 450-650°С большая часть углерода в виде частиц вторичной фазы выделяется на границах зерен, что не позволяет достичь высокого уровня ударной вязкости и прочности, повышает порог хладноломкости гермоупрочненного металла.However, in the case of a single tempering at 450-650 ° C, most of the carbon in the form of particles of the secondary phase is released at the grain boundaries, which does not allow to achieve a high level of toughness and strength, and increases the cold brittleness threshold of the hermetically strengthened metal.

Задачей настоящего изобретения является повышение комплекса механических свойств изделия.The objective of the present invention is to improve the complex of mechanical properties of the product.

Техническим результатом, получаемым при реализации данного изобретения, является оптимизация параметров обработки.The technical result obtained by the implementation of this invention is the optimization of processing parameters.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе отпуска, предусматривающем нагрев до температуры ниже A_c1, изотермическую выдержку и последующее охлаждение, согласно изобретению что нагрев ведут, по крайней мере, в два этапа, после каждого из которых осуществляют изотермическую выдержку, причем первую выдержку проводят при температуре 180-260°С, а заключительную - при температуре не более A_c1-20°С.This problem is solved due to the fact that in the known method of tempering, which provides heating to a temperature below A _c1 , isothermal exposure and subsequent cooling, according to the invention, that the heating is carried out in at least two stages, after each of which isothermal exposure is carried out, moreover the first exposure is carried out at a temperature of 180-260 ° C, and the final one at a temperature of not more than A _c1 -20 ° C.

После изотермической выдержки, выполняемой после первого и/или одного или нескольких последующих этапов подъема температуры, может быть осуществлено охлаждение в хладагенте до стадии прекращения его кипения, при этом в качестве хладагента используют воду температурой не менее 80°С или водную охлаждающую среду, имеющую максимум значения коэффициента теплоотдачи от поверхности металла, приходящийся на температуру не менее 250°С.After isothermal holding performed after the first and / or one or several subsequent stages of raising the temperature, cooling can be carried out in the refrigerant until the stage of its boiling termination, while water with a temperature of at least 80 ° C or an aqueous cooling medium having a maximum can be used as a refrigerant values of the heat transfer coefficient from the metal surface per temperature at least 250 ° С.

В качестве водной охлаждающей среды может быть использован 3-26% раствор NaCl, 10-50% раствор NaOH, бишофит с плотностью 1,1-1,32 кг/м³.As an aqueous cooling medium, a 3-26% NaCl solution, 10-50% NaOH solution, bischofite with a density of 1.1-1.32 kg / m ³ can be used.

Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый способ отпуска неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.Studies conducted on the sources of patent and scientific and technical information have shown that the claimed method of vacation is unknown and does not follow explicitly from the studied prior art, i.e. meets the criteria of novelty and inventive step.

Способ может быть осуществлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, и широко использован при термообработке металла, т.е. является промышленно применимым.The method can be carried out at any enterprise specializing in this industry, because this requires well-known materials and standard equipment, and is widely used in the heat treatment of metal, i.e. is industrially applicable.

Проведение отпуска пересыщенного твердого раствора, каким является структура стальных изделий после закалки, путем поэтапного нагрева с последующей выдержкой позволяет создать наиболее эффективные (с энергетической точки зрения) условия для равномерного выделения и устойчивого закрепления большого количества внедренных атомов прежде всего на дефектах кристаллической решетки, а уж затем на границах зерен. Это обусловлено невысокой скоростью диффузии при температурных интервалах, в которых происходит интенсивное зарождение промежуточного и стабильного карбидов, распад остаточного аустенита и другие стадии карбидообразования. Создание большого количества дисперсных частиц вторичной фазы, равномерно распределенных по объему металла (а не преимущественно на границах зерен), повышает ударную вязкость, снижает порог хладноломкости, улучшает прочностные характеристики, т.к. эти частицы являются готовыми подложками для образующихся при более высокой температуре отпуска ~280-350°С частиц цементита.Vacation of a supersaturated solid solution, which is the structure of steel products after quenching, by stepwise heating followed by exposure allows you to create the most effective (from an energy point of view) conditions for the uniform release and stable fixing of a large number of embedded atoms, primarily on defects in the crystal lattice, and then at the grain boundaries. This is due to the low diffusion rate at temperature ranges in which intensive nucleation of intermediate and stable carbides occurs, the decomposition of residual austenite, and other stages of carbide formation. The creation of a large number of dispersed particles of the secondary phase uniformly distributed over the volume of the metal (and not mainly at the grain boundaries) increases the toughness, lowers the cold brittleness threshold, and improves the strength characteristics, because these particles are ready-made substrates for cementite particles formed at a higher tempering temperature of ~ 280-350 ° C.

Проведение после первого и/или второго этапа нагрева с выдержкой охлаждения в воде или водных охлаждающих средах при заявленных температурных параметрах позволяет ввести в кристаллическую решетку металла дополнительное количество дефектов (дислокации и вакансий) и произвести их перестройку при температуре заключительной выдержки в ячеистую или полигонизованную субструктуру. Это происходит за счет свойств воды и указанных водных охлаждающих сред резко изменять коэффициент теплоотдачи в заявленных температурных интервалах. Такое резкое увеличение интенсивности охлаждения (по сути термоудар) приводит к возникновению в металле повышенного уровня напряжений. Релаксация напряжений происходит за счет образования дефектов кристаллической решетки (дислокации и вакансий) и их перемещения. При этом наиболее приемлемой температурой металла, при которой начинают интенсивно протекать процессы релаксации, является температура 250°С и более. Создание повышенной плотности дефектов сдвигает процессы образования частиц вторичной фазы, потери когерентности решеток частиц с матрицей и интенсивную их коагуляцию в сторону более высоких температур. Кроме того, дефекты решетки, введенные за счет термоудара, являются дополнительными местами для образования зародышей вторичной фазы. Это позволяет повысить комплекс механических свойств изделий любой формы и габаритов без дополнительных капитальных затрат на легирование или энергоемкие операции термомеханической или механико-термической обработок.Carrying out after the first and / or second stage of heating with cooling exposure in water or water cooling media at the stated temperature parameters allows introducing an additional number of defects (dislocations and vacancies) into the metal crystal lattice and rearranging them at the final exposure temperature into a cellular or polygonized substructure. This is due to the properties of water and these aqueous cooling media to dramatically change the heat transfer coefficient in the stated temperature ranges. Such a sharp increase in the cooling intensity (in fact, thermal shock) leads to the appearance of an increased level of stresses in the metal. Stress relaxation occurs due to the formation of crystal lattice defects (dislocations and vacancies) and their displacement. In this case, the most acceptable metal temperature, at which relaxation processes begin to proceed intensively, is a temperature of 250 ° C or more. The creation of an increased density of defects shifts the processes of formation of particles of the secondary phase, the loss of coherence of the lattices of particles with a matrix, and their intensive coagulation towards higher temperatures. In addition, lattice defects introduced by thermal shock are additional places for the formation of secondary phase nuclei. This allows you to increase the set of mechanical properties of products of any shape and size without additional capital costs for alloying or energy-intensive operations of thermomechanical or mechanical-thermal treatments.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.The inventive method is as follows.

Термоупрочненное изделие загружают в отпускную печь, нагретую до температуры 180-260°С, которая соответствует первому этапу нагрева. Нижняя граница этого температурного интервала ограничивается обычной температурой прерывания объемного охлаждения изделий после закалки, а верхняя - температурой конца выделения углерода в виде промежуточного карбида (ε-карбида) из пересыщенного твердого раствора. В зависимости от содержания углерода в обрабатываемых сталях эта температура находится интервале 200-260°С.The heat-strengthened product is loaded into a tempering furnace heated to a temperature of 180-260 ° C, which corresponds to the first stage of heating. The lower boundary of this temperature range is limited by the usual temperature of interruption of volume cooling of products after quenching, and the upper one is limited by the temperature of the end of carbon evolution in the form of intermediate carbide (ε-carbide) from a supersaturated solid solution. Depending on the carbon content in the processed steels, this temperature is in the range of 200-260 ° C.

По достижению металлом заданной температуры осуществляется изотермическая выдержка. Затем изделие извлекают из печи и погружают в бак с водой (температура воды не менее 80°С) или водной охлаждающей средой (например, 15% раствор NaСl, имеющей температуру 20°С) и охлаждают до прекращения стадии кипения. Момент прекращения кипения хорошо наблюдается визуально по прекращению интенсивного бурления хладагента.When the metal reaches the set temperature, isothermal exposure is carried out. Then the product is removed from the furnace and immersed in a tank of water (water temperature not less than 80 ° C) or an aqueous cooling medium (for example, 15% NaCl solution having a temperature of 20 ° C) and cooled until the boiling stage ceases. The moment of cessation of boiling is well observed visually by the cessation of intensive refrigerant drilling.

После этого изделие, извлеченное из хладагента, садят в печь, нагретую до температуры 270-350°С, соответствующей второму этапу нагрева. По достижению металлом заданной температуры проводят изотермическую выдержку. Температурный интервал обусловлен закономерностью карбидообразования в конструкционных и инструментальных сталях, в которых при такой температуре происходит интенсивное выделение углерода из пересыщенной матрицы в виде цементита.After that, the product, extracted from the refrigerant, is placed in a furnace heated to a temperature of 270-350 ° C, corresponding to the second stage of heating. When the metal reaches a predetermined temperature, an isothermal exposure is carried out. The temperature range is due to the regularity of carbide formation in structural and tool steels, in which at this temperature there is intense carbon evolution from the supersaturated matrix in the form of cementite.

После извлечения из печи в зависимости от марки стали, использованной для изготовления детали, и требований к уровню механических свойств металла готового изделия производят охлаждение в воде или заявленной водной охлаждающей среде до прекращения кипения хладагента.After extraction from the furnace, depending on the grade of steel used to manufacture the part and the requirements on the level of mechanical properties of the metal of the finished product, cooling is performed in water or the declared aqueous cooling medium until the refrigerant boils.

Затем осуществляют загрузку изделия в печь для третьего этапа нагрева, который обычно проводят при температуре 500-650°С (в зависимости от марки стали и нормируемых свойств металла готового изделия).Then the product is loaded into the furnace for the third stage of heating, which is usually carried out at a temperature of 500-650 ° C (depending on the grade of steel and the normalized properties of the metal of the finished product).

После нагрева до требуемой температуры проводят изотермическую выдержку. Далее изделие извлекается из печи и проводится охлаждение на воздухе.After heating to the required temperature, isothermal exposure is carried out. Next, the product is removed from the furnace and air cooling is carried out.

Характеристики параметров отпуска на каждом этапе и свойства металла изделия представлены таблицах 1 и 2.Characteristics of the parameters of tempering at each stage and the properties of the metal product are presented in tables 1 and 2.

Таблица 1. Изделие - штампосварной тройник диаметром магистрали 1020 мм и толщиной стенки 40 мм из стали 09Г2ФБ после термического упрочнения.Table 1. The product is a die-welded tee with a trunk diameter of 1020 mm and a wall thickness of 40 mm from 09G2FB steel after thermal hardening.

Таблица 2. Изделие - штамповые вставки из стали 5ХНМ с габаритами кубика: ширина 280 мм, длина 400 мм, высота 300 мм с гравюрой средней глубины.Table 2. Product - stamping inserts made of 5XHM steel with cube dimensions: width 280 mm, length 400 mm, height 300 mm with engraving of medium depth.

Анализ данных, приведенных в таблицах 1 и 2, показывает, что предлагаемый способ позволяет повысить комплекс механических свойств металла изделия, а именно повысить прочность, ударную вязкость, твердость на рабочей поверхности штампа и снизить порог хладноломкости, без дополнительных затрат на легирование, термомеханическую или механико-термическую обработку.Analysis of the data shown in tables 1 and 2 shows that the proposed method allows to increase the complex of mechanical properties of the metal of the product, namely to increase strength, toughness, hardness on the working surface of the stamp and lower the cold brittleness threshold, without additional costs for alloying, thermomechanical or mechanical heat treatment.

Claims

1. The method of tempering tempered products from structural and tool steels, comprising heating to a temperature below A _c1 , isothermal exposure and subsequent cooling, characterized in that the heating is carried out in at least two stages, after each of which isothermal exposure is carried out, the first exposure carried out at a temperature of 180-260 ° C, and the final at a temperature of not more than A _c1 -20 ° C.

2. The method according to p. 1, characterized in that after isothermal aging performed after the first, and / or one or several subsequent stages of raising the temperature, cooling is carried out in the refrigerant to the stage of termination of its boiling, moreover, water is used as the refrigerant at a temperature not less than 80 ° C or an aqueous cooling medium having a maximum value of the coefficient of heat transfer from the surface of the metal per temperature at least 250 ° C.

3. The method according to p. 2, characterized in that as an aqueous cooling medium using a 3-26% solution of NaCl, or 10-50% solution of NaOH, or bischofite with a density of 1.1-1.32 kg / m ³ .