Спосіб одержання металу з регулярною диференційованою макроструктурою

Винахід має відношення до металургії, конкретно - до способів одержання металу з регулярною диференційованою макроструктурою, що являє собою чергування у заданій послідовності різнорідних за структурою та властивостями (механічними, фізичними) ділянок металу (сплаву). Відомим є спосіб одержання регулярної диференційованої макроструктури, який полягає у тому, що у виливниці установлюють вставки армуючого матеріалу і заливають їх матричним сплавом, після чого здійснюють прокатування при високих температурах [1]. У відомому способі для одержання потрібної структури використовуються різнорідні за властивостями матеріали, а також технологічні процеси (залив у виливниці, прокатка), що при чималих енерговитратах ускладнює одержання потрібної структури. Відомим є також спосіб одержання регулярної диференційованої макроструктури, що полягає у нанесенні на поверхню сталі армуючого матеріалу методом наплавлення [2]. Реалізація цього способу потребує застосовування армуючого матеріалу, який має добре наплавлюватися, щоб запобігти тріщин та відколин. Крім того, армуючий матеріал має бути виготовлений у виді дроту чи стрічки, що також ускладнює реалізацію і обмежує його застосування. Відомим є спосіб (прийнятий за прототип) одержання регулярної диференційованої макроструктури, що полягає у комбінації загальної обробки і деформації заданих ділянок у профільованих валках метастабільної аустенітної сталі при температурі, нижчій за Mg. Це забезпечує одержання високоміцних, ділянок мартенситу, перемінних з пластичними аустенітними [3]. Відомий спосіб застосовується лише для певного класу сталей, а саме - метастабільних аустенітних. Крім того, внаслідок деформації товщина заготовки у профільованих валках буде неоднаковою, що у ряді випадків недопустимо. В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб одержання металу з регулярною диференційованою макроструктурою, який дозволить через нові умови здійснення процесів та їх різноманітну комбінацію одержати у одному матеріалі потрібну макроструктуру будь-якої геометрії. Це спрощує технологію одержання матеріалів з регулярною диференційованою макроструктурою для сталей та сплавів різноманітних структурних класів і зменшує їх собівартість. Поставлена задача одержання у металах регулярної диференційованої макроструктури розв'язується через спосіб, що включає попередню загальну обробку усього металу з подальшою обробкою заданих ділянок, згідно з винаходом, подальшу обробку здійснюють до переходу міцної і твердої структури металу у зоні обробки в пластичну і в'язку або навпаки. При цьому для середньо- і високовуглецевих сталей перлитного і мартенситного класів попередню обробку здійснюють гартуванням з подальшим високим відпусканням, а подальшу обробку заданих ділянок - шляхом гартування з використанням джерел концентрованої енергії. Крім того, для маловуглецевих сталей перед гартуванням здійснюють хіміко-термічну обробку, наприклад, цементацію поверхні. Для мартенситностаріючих сталей попередню загальну обробку здійснюють гартуванням окремих ділянок. Для аустенітних сталей попередню загальну обробку здійснюють деформацією при температурі, що нижче за Mg, або охолодженням до негативних температур, а подальшу обробку заданих ділянок проводять нагріванням до температури, що на 200 - 250°C перевищує інтервал завершення (a - g) перетворення. Для двофазних аустенітно-мартенситних (a - g) сталей здійснюють загальну деформацію у гладких валках при температурах на 100 - 200°C вищих, ніж Mg, a подальшу обробку ділянок проводять гартуванням з використанням джерел концентрованої енергії. При цьому чергування міцних і пластичних ділянок робиться по поверхні або по глибині, крім того, у останньому випадку чергують зміцнюючі та розміцнюючі обробки тих самих ділянок. До того ж кожну наступну обробку проводять на меншу глибину, ніж попередню. Щоб одержати перемінні по глибині міцні та пластичні шари у низьковуглецевих сталях, використовують процеси навуглецьовування -зневуглецювання, а для високовуглецевих навпаки: зневуглецювання - навуглецьовування. Запропонований спосіб одержання регулярної диференційованої макроструктури на відміну від відомих аналогів передбачає утворення різнорідної структури у одному матеріалі за рахунок використання неоднакових структурних і фазових перетворювань, що відбуваються при загальній обробці усього об'єму металу та його окремих заданих ділянок. Це спрощує технологію одержання матеріалів з регулярною диференційованою структурою, зменшує енергоємність і матеріалоємність при їх виробництві. У порівнянні з прототипом запропонований спосіб виключає локальну деформацію - надто трудоємну операцію, яку до того ж для аустенітних сталей слід проводити при негативних температурах. Він не потребує складного та трудоемкого виготовлення профільованих валків, тому що загальну деформацію проводять у гладких валках. Приклад 1. Спосіб здійснюють таким чином. Конструкційну сталь 45 у вигляді листової заготовки товщиною 2мм гартують від температури 860°C у воді і відпускають при 650°C. В усьому об'ємі одержують структуру сорбіту відпускання. Потім задані ділянки шириною 1,5 - 2мм, розташовані на такій же відстані одна від одної, гартують лазерною або електронною променевою обробкою, одержуючи в них мартенсит. Мікротвердість у мартенситних і сорбітних ділянках становить відповідно Ho 0,980 = 5600 та 2300МПа. Після гартування з високого відпускання усього об'єму металу одержують невисокі міцносні властивості (s0,2 = 325Мпа, sв = 650МПа), але підвищену пластичність (d = 17%). Запропонований спосіб обробки, включаючий попереднє гартування і високе відпускання усього об'єму металу, а також подальше гартування заданих ділянок з використанням лазерного та електронного променів, забезпечують підвищений рівень міцносних властивостей (s0,2 = 1050МПа, sв = 1200МПа) і пластичності (d = 10%). Для створення перемінних міцних і пластичних структур на поверхні маловуглецевої сталі 20Х спочатку проводять цементацію при 930°C 10 год, гартування від 800°C і високе відпускання при 650°C, а потім задані ділянки поверхні гартують лазерним та електронним променями. При терті ковзання із мастилом така структура забезпечує підвищену стійкість проти спрацювання, тому що м'які ділянки спрацьовуються раніше твердих і служать своєрідними "кишенями", в яких утримується мастило. Це дозволяє реалізувати принцип Шарпі. Приклад 2. За пропонованим способом сталь 03Р24ТЮ у вигляді листової заготовки товщиною 2мм спочатку гартують від 860°C і старять при 480°C 1год, після чого задані ділянки шириною 1,5 - 2мм, розташовані на такій же відстані одна від одної, гартують, використовуючи лазерну або електронно-променеву обробку. В результаті одержують такий рівень механічних властивостей: s0,2 = 1650МПа, sв = 1800МПа, d = 12%. Після звичайної обробки (гартування від 860°C і старіння при 480°C 1год) одержують трохи більші властивості міцності (s0,2 = 1700МПа, sв = 1870МПа), але значно меншу пластичність (d = 7%). Приклад 3. За пропонованим способом листову заготовку товщиною 3мм із сталі 15Х14Г12 прокатують у гладких валках при кімнатній температурі (Mg = 150°C) з обтисненням 40% і одержують в структурі поряд з аустенітом ~60% мартенситу. Потім лазерним або електронним променем нагрівають до 750°C (вище завершення a - g перетворення) ділянки шириною 1,5 - 2мм, розташовані на такій же відстані одна від одної. В результаті одержують такий рівень механічних властивостей: s0,2 = 1000МПа, sв = 1200МПа, d = 15%. Після холодної пластичної деформації на 40% при кімнатній температурі без додаткової лазерної або електронно-променевої обробки одержані такі властивості: s0,2 = 1200МПа, sв = 1450МПа, d = 4%. Отримання перемінних міцних і пластичних структур через запропонований спосіб дозволяє при високій міцності одержати в аустенітній сталі підвищену пластичність. В листовій заготовці товщиною 2мм із сталі 60Н20, що має Мн = 50°C, через охолодження у рідкому азоті та подальшу деформацію при кімнатній температурі було отримано 80% мартенситу. Локальний нагрів проводився до 750°C з таким розрахунком, щоб мартенсит перетворився в аустеніт, а після охолодження було отримане чергування полос мартенситу і аустеніту шириною 1,5 - 2мм, які розташовані упродовж листової заготовки на такій же відстані одна від одної. В результаті одержані такі механічні властивості: s0,2 = 1380Мпа, sв = 1800МПа, d = 19%. Обробка за запропонованим способом забезпечує п'ятикратне підвищення пластичності у порівнянні з обробкою, внаслідок якої отримується переважно мартенситна структура, і більш, ніжу 2 рази, високу міцність, ніж обробка, після якої сталь набуває аустенітної структури в усьому об'ємі. Приклад 4. Листову заготовку із двофазної аустенітно-мартенситної (g + a) сталі Г22 піддають попередній загальній деформації в гладких валках при 400°C (вище за Mg) з обтисненням 20 - 30%. Таким чином у всьому об'ємі сталі була отримана структура метастабільного аустеніту. Подальшою лазерною обробкою здійснювали гартування полос шириною 1,5 - 2мм, розташованих на такій же відстані одна від одної уподовж листової заготовки. В результаті одержано чергування аустенітних і переважно мартенситних полос. Кінець кінцем отримано такий рівень властивостей: s0,2 = 570МПа, sв = 930МПа, d = 25%. Це вище, ніж у вихідному стані (до обробки за запропонованим способом): s0,2 = 390МПа, sв = 730МПа, d = 23%. Приклад 5. За запропонованим способом одержують багатошарову структуру, наприклад, тришарову, в мартенситностаріючій сталі 03Н24ТЮ. Так листову заготовку товщиною 3мм гартують від 860°C і одержують в усьому об'ємі структуру низьковуглецевого мартенситу. Його мікротвердість дорівнює Ho 0,980 = 2500МПа. Градієнтний нагрів поверхні здійснюють швидкісним пічним нагріванням, лазерним або електронними променями до температури, що забезпечує старіння мартенситу до заданої глибини (~1мм). Мікротвердість поверхні збільшилась більш, ніж у 2 рази (Ho 0,980 = 5200МПа). Стійкість поверхні проти спрацювання підвищилась у 1,7 рази. При цьому збереглася пластичність середини. Багатошарову регулярну диференційовану макроструктуру у цій сталі з шарів зістареного та незістареного мартенситу отримують через чергування гартування і старіння. Так після гартування від 860°C зразків товщиною 6мм їх піддають градієнтному нагріву в печі, отримуючи зістарений мартенсит підвищеної твердості на глибині 2мм. Потім знову здійснюють гартування поверхні до глибини 1мм. Багатошарову регулярну диференційовану структуру, що уявляє собою чергування мартенситних і аустенітних шарів по глибині, одержують через комбінацію процесів навуглецьовування - зневуглецювання. Так зразки із сталі 08Г7 товщиною 6мм спочатку цементують до глибини 1мм, що приводить до отримання на поверхні шару аустеніту. Подальше зневуглецювання поверхні до глибини 0,5мм знов приводить до отримання мартенситної структури. У зразках високовуглецевої аустенітної сталі 120Г7 перемінні аустенітні і мартенситні шари по глибині отримують через комбінацію зневуглецювання - навуглецьовування. Після нагріву до 1000°C та витримки 10год одержують зневуглецьований шар з переважно мартенситною структурою товщиною ~1мм. Потім цементацією при 950°C протягом 3год і подальшим гартуванням з температури цементаційного нагріву одержують на глибині ~0,5мм аустенітну структуру. Наведені приклади показують, що запропонований спосіб в усіх випадках дозволяє одержати регулярну диференційовану макроструктуру в одному матеріалі, що відкриває нові можливості для підвищення механічних властивостей. Слід підкреслити, що фізичні властивості різнорідних структур також, як і механімні, дуже відрізняються. Наприклад, мартенсит і аустеніт мають різні магнітні властивості, істотно відрізнені коефіцієнти лінійного розширу, теплопровідність та ін. Запропонований спосіб дозволяє в одному і тому ж матеріалі одержувати магнітні і немагнітні ділянки, створювати біметали з різним коефіцієнтом лінійного розширу шарів. Це може мати застосування в електротехніці.