Спосіб термічної обробки заготовок

Изобретение относится к термической обработке, а именно к способам предварительной термической обработки заготовок сечением до 300мм после горячей деформации для предотвращения флокенообразования путем глубокого обезводороживания и более полного снятия внутренних напряжений в стали. Известен способ противофлокенной термической обработки заготовок сталей, включающий нагрев до температуры 650°С с выдержкой 15 ч на 100 мм обрабатываемого изделия (Склюев П.В. Водород и флокены в крупных тюковках, М., Машгиз, 1963, с. 186). Однако такая термическая обработка не исключает появление флокенов в стали, поскольку существенного уменьшения содержания водорода в стали не дает, несмотря на большую длительность термообработки, хотя значительно и снижает уровень внутренних напряжений. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ термической обработки толстолистовой стали из хромокремневольфрамовых сталей, заключающийся в том, что после горячей деформации листового проката осуществляют выдержку последнего при температуре А r1 (40-60)°С в течение 40-60 мин, затем ведут охлаждение со скоростью 500-700°С/ч до 200-150°С, после чего производят нагрев до Аг1 - (40-60)° С из расчета 2-3 мин на 1 мм толщины листа, выдержку в течение 20-35 мин, а окончательное охлаждение осуществляют на воздухе (А.с, №149553, кл, С 21 D 1 /78, 3/06, 9/46 опуб. 23.10.83, Бюл. №39). Недостаток способа заключается в том, что применяемые выдержки стали при температуре Аr1 - (40-60)°С при g®a превращении таковы, что не обеспечивают релаксацию и снижение внутренних напряжений до необходимого уровня. Термическая обработка толстых листов по известному способу приводит, в некоторых случаях, к короблению листов, обусловленному действием внутренних напряжений в металле, и появлению флокенов в стали. Известно, что флокены являются результатом совместного влияния водорода и внутренних напряжений в металле. Несмотря на то, что в известном способе термическая обработка толстых листов и дает значительное обезводороживание металла, предотвратить образование флокенов не удается, так как содержание водорода, при недостаточном снижении внутренних напряжений в стали, является все же большим. В известном способе режимы охлаждения и нагрева толстых листов являются неоптимальными для десорбции водорода из стали. При выбранных скоростях и неравномерном охлаждении поверхности металла не достигаются условия для эффективного удаления водорода из стали. Это вызвано тем, что при охлаждении металла процесс десорбции водорода значительно замедляется в силу резкого снижения диффузионной подвижности водорода, особенно из поверхностных зон, как более охлаждаемых по сравнению с центральными зонами. Кроме того, неравномерность охлаждения металла, обусловленная несовершенством конструкций приспособлений для циркуляции сжатого воздуха на холодильниках, на которых обеспечивается охлаждение листов, приводит к неравномерному распределению внутренних напряжений по величине в поверхностных зонах стали, отрицательно влияющих на скорость выделения водорода. В известном способе использованы низкие скорости нагрева, которые из-за опасности коробления не обеспечили глубокое обезводороживание как при более высоких скоростях нагрева и не способствовали устранению флокенообразоваиия. Таким образом, используемые режимы термической обработки в известном решении не обеспечивают в значительной и достаточной степени устранение внутренних напряжений в металле и обезводороживания, что не предотвращает флокенообразование. В основу изобретения поставлена задача создать способ термической обработки заготовок, преимущественно перлитного класса сечением до 300 мм, который за счет определенной последовательности операций и режимов обработки обеспечит оптимальное сочетание внутренних напряжений и содержания водорода в стали, что предотвратит образование флокенов в металле. Поставленная задача решается тем, что в способе термической обработки заготовок преимущественно из стали перлитного класса, включающем выдержку стали после горячей деформации при температуре ниже Аr1, последующее регламентированное охлаждение, выдержку при низких температурах, дальнейший нагрев с заданной скоростью до температуры ниже Аc1, выдержку и охлаждение на спокойном воздухе, выдержку при температуре ниже Ar1 осуществляют в течение 2,0-3,0 ч, последующее регламентированное равномерное охлаждение поверхности заготовок производят со скоростью 13-15°С/мин до температуры 350-300°С, выдержку ведут в течение 2,5-3,0 ч, нагрев до температуры Ac1 выполняют из расчета 0,5-0,7 мин на 1 мм сечения заготовки, а охлаждение на спокойном воздухе ведут до температуры 250-200°С с изотермической выдержкой в течение 1,5-1,0 ч. Охлаждение заготовок до температуры Ar1 - (40-60)°С с изотермической выдержкой в течение 2,0-3,0 ч при этой температуре обеспечивают условия для превращения аустенита в феррито-карбидную смесь (перлит), которая обладает повышенной водородопроницаемостью и способствует ускоренному выделению водорода из стали, значительно снижает внутренние напряжения, обусловленные фазовым превращением. Выдержка стали при температуре на (40-60)°С ниже Ar1 более 3,0 ч непроизводительна, так как за этот период превращение аустенита в перлит заканчивается, дальнейшего снижения внутренних напряжений не происходит и выделения водорода из стали не наблюдается. Уменьшением времени выдержки менее 2,0 л не достигается полное g®a превращение, не в полной степени снижается уровень внутренних напряжений и в силу недостаточного количества выделившегося из стали водорода, не достигается равновесное содержание водорода в металле. Равномерное охлаждение поверхности металла со скоростью 13-15°С/мин приводит к существенному перепаду температур между поверхностными и центральными зонами заготовок, обусловленному неодинаковой скоростью изменения температур, что вызывает появление в заготовках временных термических напряжений и деформаций. Вследствие высокой пластичности стали при повышенных температурах, деформации являются упругопластическими и, следовательно, внешние зоны оказываются пластически растянутыми по отношению к внутренним, т.е. при охлаждении металла в его поверхностных слоях возникают временные растягивающие, а в центральных зонах - временные сжимающие напряжения. Равномерность охлаждения поверхности заготовок вызывает возникновение одинаковых по величине растягивающих напряжений на поверхности заготовок. При этом водород в стали диффундирует в зоны действия растягивающих напряжений путем восходящей диффузии, обогащает зоны растягивающих напряжений. Таким образом, поскольку временные растягивающие напряжения находятся в поверхностных зонах, то происходит перераспределение водорода из центральных зон заготовки к поверхности с образованием объемов, обогащенных водородом, и дальнейшим его выделением в атмосферу. Равномерное охлаждение поверхности заготовок со скоростью меньше 13°С/мин неэффективно, так как уменьшается перепад температур между поверхностью и центральными зонами, вследствие чего уменьшается величина временных растягивающих напряжений. Как следствие, уменьшается и количество диффундирующего к поверхностным зонам водорода, а также количество выделившегося из стали водорода. Равномерное охлаждение поверхности заготовок со скоростью более 15°С/мин вызывает возникновение значительных растягивающих напряжений, что присудит к большим поводкам, короблению, трещинообраэованию. При этом сокращается время действия временных растягивающих напряжений на поверхности заготовок и одновременно снижается количество выделившегося из стали водорода. Охлаждение поверхности заготовок до температуры 350-300°С и выдержка при этих температурах в течение 2,5-3,0 ч резко снижает и стабилизирует уровень внутренних напряжений, а также обеспечивает значительную десорбцию водорода в металле. Охлаждение поверхности заготовок до температуры ниже 300°С приводит к "глубокому" охлаждению не только поверхностных, но и центральных зон металла, к выравниванию температуры по сечению заготовки, что ведет к переходу растягивающих напряжений на поверхности в сжимающие. Кроме этого, растворимость водорода в стали резко снижается, резко снижается коэффициент диффузии водорода в стали и эффективность обезводороживания также снижается. Наконец, резко возрастает уровень термических напряжений в стали, что недопустимо для флокеночувствительных сталей. Охлаждение поверхности заготовок до температуры выше 350°С уменьшает время действия растягивающих напряжений на поверхности металла, поскольку уменьшается интервал температур начала и конца охлаждения стали. Это приводит к уменьшению общего времени диффузии водорода к поверхности и уменьшает степень десорбции водорода из стали. Увеличение длительности выдержки более 3,0 ч не дает дальнейшего снижения внутренних напряжений и выделения водорода из металла не происходит, в то время как при длительности выдержки менее 2,5 ч в полной мере не достигается ни снижение внутренних напряжений, ни прекращение десорбции водорода. После выдержки заготовок при температурах 350-300°С производится их нагрев до температуры Aс1 - (4060)°С со скоростью 0,5-0,7 мин на 1 мм сечения. Повышение температуры металла увеличивает диффузионную подвижность атомов водорода и скорость выделения водорода из стали. При нагреве заготовок с этими скоростями возникают термические напряжения в стали, потому что имеет место перепад температур по сечению и в металле снова возникают напряжения, причем на поверхности - напряжения сжатия, а в сердцевине - напряжения растяжения. Так как поверхностные зоны заготовок имеют более высокую температуру, чем внутренние, то и растворимость в них водорода существенно выше, что приводит дополнительно к ускоренной диффузии водорода из центральных зон заготовки к поверхности и десорбции его из стали. В связи с тем, что возникающие при нагреве на поверхности напряжения сжатия незначительны по величине, поэтому они очень мало влияют на десорбцию водорода, в то время как выделение водорода за счет повышения растворимости водорода в поверхностных зонах весьма существенно. Поэтому процесс десорбции водорода из стали при заданных скоростях нагрева эффективен. Скорость нагрева стали меньше чем 0,7 мин на 1 мм сечения заготовки неприемлема, потому что снижается градиент температур по сечению заготовки и различие в растворимости водорода в поверхностных и центральных зонах заготовки уменьшается, а процесс обезводороживания стали ослабевает. Скорость нагрева стали больше чем 0,5 мин на 1мм сечения заготовки нецелесообразна, так как возникает значительный градиент температур между поверхностными и внутренними зонами заготовки, что вызывает появление больших внутренних напряжений и поводок стали. По достижении заготовками температуры ниже Aс1 и выдержки при этой температуре для устранения термических напряжений, производится охлаждение стали на воздухе до температуры 250-200°С с изотермической выдержкой в течение 1,5-1,0 ч. При этой температуре происходит выравнивание температуры по сечению заготовки. Основной смысл выдержки стали при 250-200°С состоит в относительно "ускоренном" по сравнению с комнатной температурой, перераспределении водорода по различного рода дефектам и несовершенствам металла, т.е. когда водород из твердого раствора переходит в дефекты металла и выделяется в молекулярной форме, а также удаляется из стали до равновесного содержания. При каждой температуре в процессе перераспределения, устанавливается равновесие между молекулярным водородом и водородом, растворенным в кристаллической решетке, обусловленное растворимостью водорода в стали. Если равновесие водорода достигается при высоких температурах, а затем сталь охлаждается до низких, то равновесие нарушается в силу резкого снижения растворимости. При понижении температуры коэффициент диффузии водорода понижается и требуются более длительные выдержки для достижения равновесного содержания водорода. В связи с тем, что молекулярный водород является неактивной формой водорода в образовании флокенов, и чем более полно растворенный водород распределяется по дефектам стали, тем самым, повышается иммунитет к флокенообразованию за счет уменьшения в стали растворенного водорода (активной формы) при комнатных температурах. Если охлаждать заготовки до температуры выше 250°С и производить выдержку в течение времени менее 1,0 ч, то процесс молизации водорода, согласно условиям термодинамики, ослабевает. Если же охлаждать заготовки и производить выдержку при температуре ниже 200°С, то в связи с уменьшением диффузионной подвижности, процесс перераспределения водорода по дефектам замедляется и увеличивается опасность флокенообразования. Выдержка в течение времени более 1,5 ч не обеспечивает дальнейшего перераспределения водорода по дефектам металла и его молизации. Пример. Термическая противофлокенная обработка заготовок стали марки 40Х сечением 150мм проводилась по известному и предлагаемому способам. По известному способу заготовки после прокатки загружались в термическую печь при 650°С, выдерживались для превращения аустенита в перлит и снижения внутренних напряжений, а также выделения водорода до равновесных содержаний. В дальнейшем заготовки охлаждали сжатым воздухом со скоростью 10,7°С/мин до температуры 150°С, выдерживали при этой температуре 30 мин, а затем помещали в термическую печь и производили нагрев из расчета 2,5 мин на 1 мм сечения до температуры 670°С с последующей выдержкой в течение 25 мин и охлаждением на воздухе до комнатных температур. По предлагаемому способу заготовки подвергали тем же операциям термической обработки, что и по известному способу, но по другим режимам, представленным в табл.1. Охлаждение заготовок после выдержки при температуре 670°С осуществляли до температуры 250-200°С и выдерживали при этих температурах. Результаты испытаний представлены в табл.2. Скорости охлаждения регулировались подачей сжатого воздуха с помощью специальных устройств, обеспечивающих равномерность охлаждения поверхности металла, а также требуемую скорость потока воздуха и его температуру. Конструкция устройств приспособлена к форме охлаждающихся заготовок. Температура поверхности заготовок при охлаждении определялась с помощью контактных термопар. Содержание водорода определяли методом вакуум-плавления и в отдельных случаях методом вакуумнагрева. Отбор проб для оценки водорода производили с помощью полого сверла на глубину до 60мм в средней части заготовки. Содержание водорода для оценки эффективности режимов охлаждения до температур 350-300°С от температуры Аr1 -(40-60)°С и нагрева от 350-300°С до температуры Ас1 - (40-60)° С определяли как разность содержания водорода в металле при этих температурах. Содержание водорода для оценки эффективности изотермических выдержек при 250 и 200°С определяли как разность содержания водорода, определенного методом вакуум-плавления и вакуум-нагрева. Ошибка определения водорода составляет ± 0,1 см3/100 г. Контроль на флокены осуществляли прозвучиванием заготовок УЗК для выявления несплошностей и определения глубины и направления их залегания, а также травлением макротемплетов. Поводки металла как результат действия внутренних напряжений определяли в миллиметрах на 1 погонный метр согласно требованиям ГОСТ. Как показали результаты исследований, поставленная задача предотвращения флокенообразования за счет оптимального сочетания внутренних напряжений и содержания водорода решена в вариантах №3, 4,5 и 6, где соблюдены все заявляемые параметры технологического режима. В случае отклонения технологических параметров в сторону уменьшения (варианты № 1,2) в металле остается большое содержание водорода вследствие недостаточного градиента температур между поверхностью и центральными зонами при охлаждении и нагреве, что неэффективно для десорбции водорода, а также низкими температурами и длительностью выдержки для перераспределения водорода по несовершенствам стали, что не позволило в достаточной степени нейтрализовать диффузионно-подвижный водород. Кроме того, недостаточная длительность выдержки заготовок при температуре фазового g®a превращения обусловила наличие в стали структурных напряжений, на которые накладывались тепловые напряжения, которые приводят к большим поводкам, а в сочетании с водородом, в конечном итоге, к флокенам. В случае отклонения технологических параметров в сторону увеличения (варианты №7, 8) наблюдаются большие поводки металла, как после охлаждения, так и при нагреве, обусловленные высоким уровнем термических напряжений, что приводит к появлению трещин термического характера несмотря на значительное снижение водорода в стали. Следует отметить, что увеличение скорости охлаждения свыше заявляемых параметров не приводит к росту десорбции водорода из металла вследствие уменьшения времени охлаждения поверхности заготовок и недостаточности времени. Для диффузии водорода к поверхностным зонам и дальнейшей десорбции из стали.