Спосіб деформаційно-термічної обробки металів та сплавів

Спосіб деформаційно-термічної обробки металів та сплавів, що включає попередню деформацію металу або сплаву з наступною термічною обробкою, який відрізняється тим, що метали та сплави попередньо деформують при температурі навколишнього середовища зі ступенем обтискування більше 70 %, нагрівають до температури початку рекристалізації, витримують протягом 0,510 хвилин та охолоджують до температури навколишнього середовища зі швидкістю, яка не викликає росту рекристалізаційних зерен. Винахід належить до способів деформаційнотермічної обробки металів та сплавів і може бути використаний для підвищення їх механічних властивостей. Відомо про спосіб покращення технологічних властивостей металів, що мають ефект Баушингера, шляхом немонотонного навантаження заготівки, що подовжується. Немонотонність навантаження створюють крученням після кожного етапу розтягування заготівки, а оптимізацію технологічного процесу проводять вирішенням складної системи рівнянь (Способ улучшения технологических свойств металлов. Патент РФ. №2217508. C21D 7/00. 2003.11.27). Однак такий спосіб можна застосовувати лише для тіл обертання (труб, прутків). Відомо про спосіб підвищення твердості більше 68,0 HRC у виробах із інструментальних сталей шляхом попередньої підготовки структури, гартування, багаторазової обробки холодом та низьким відпуском (Способ повышения твердости более 68,0 HRC в изделиях из инструментальных сталей. Заявка на изобретение РФ. №2007123149. C21D 9/00. 27.12.2008). Однак попередня підготов ка поверхні гартуванням займає 1-6 годин, що значно підвищує собівартість даного способу. Відомо про спосіб формування нанокристалічного поверхневого шару в основному матеріалі виробів із металів і сплавів, який полягає в отриманні рівномірного аморфного поверхневого шару з наступним нагріванням його до температури початку процесу кристалізації аморфізованого поверхневого шару та деформацією поверхневого шару. При досяганні необхідних розмірів нанокристалітів перестають нагрівати та деформувати згаданий поверхневий шар (Способ формирования нанокристаллического поверхностного слоя в основном материале изделий из металлов и сплавов. Заявка на изобретение РФ. №2007123814. С23С 14/00. 27.12.2008). Однак даний спосіб дає можливість отримати нанокристалічний поверхневий шар, а не усю структуру матеріалу. Відомо про спосіб одержання заготовок з дрібнозернистою структурою шляхом пластичної деформації заготовки в заданих термомеханічних умовах. Проводять пресуванням в контейнері з (19) UA (11) 95378 (13) C2 (21) a201002248 (22) 01.03.2010 (24) 25.07.2011 (46) 25.07.2011, Бюл.№ 14, 2011 р. (72) ДУБОВИЙ ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ, ЯНКОВЕЦЬ ТЕТЯНА АНАТОЛІЇВНА, ЛЕБЕДЄВА НАТАЛІЯ ЮРІЇВНА, КАЗИМИРЕНКО ЮЛІЯ ОЛЕКСІЇВНА, ЖДАНОВ ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, БОБРОВ МАКСИМ МИКОЛАЙОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА (56) UA, 40862, A, 15.08.2001 SU, 375310, A, 23.03.1973 RU, 2352682, C2, 20.04.2009 RU, 2254394, C1, 20.06.2005 JP, 2000239740, A, 05.09.2000 JP, 2247358, A, 10.03.1990 Раздобрєєв В. Г. Тонка кристалічна будова маловуглецевих сталей після деформаційно-термічної 3 профілюючим інструментом, що забезпечує інтенсивну пластичну деформацію (Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой. Заявка на изобретение РФ. №2004126825. B21J 5/00, В21С 23/04, 22F 1/00. 27.02.2006). Однак даний спосіб призначений для пресування порошкових матеріалів. Відомо про спосіб виробництва виробів із свинцевих латуней шляхом деформаційно-термічної обробки (Способ производства изделий из свинцовых латуней. Патент РФ. №2352682. C22F 1/08. 20.04.2009.). Заготівки із латуней одержують холодною пластичною деформацією у декілька проходів з проміжними повними рекристалізаційними відпалами, що забезпечує стабільний рівень межі міцності та відносного подовження виробів і не забезпечує максимальної твердості одержаних виробів. Однак даний спосіб можна застосовувати у виробництві прутків та дроту. Найбільш близьким за технічною суттю й ефектом, що досягається, до пропонованого способу є спосіб деформаційно-термічної обробки маловуглецевих сталей (Раздобрєєв В.Г. Тонка кристалічна будова маловуглецевих сталей після деформаційно-термічної обробки у міжкритичному інтервалі температур // Металознавство та обробка металів. - 2009. - №2. - С. 7-10). Проведено деформаційну обробку ферито-мартенситної сталі зі ступенем обтискування 50% за один прохід при температурі 740°С з наступним охолодженням за трьома режимами. В результаті такої деформаційнотермічної обробки встановлено можливість формування сприятливої субструктури сталей, що сприяє підвищенню їх фізико-механічних та службових властивостей. Недоліком такого способу є необхідність проведення деформаційної обробки при підвищених температурах, що ускладнює технологічний процес. До того ж даний спосіб не поширюється на інші металеві матеріали. В основу винаходу поставлено задачу формування сприятливої субструктури металів та сплавів, що сприяє підвищенню їх механічних властивостей, без підвищення температури при деформаційній обробці. Для вирішення поставленої задачі в способі деформаційно-термічної обробки металів та сплавів, що включає попередню деформацію металу або сплаву з наступною термічною обробкою, метали або сплави деформують зі ступенем обтискування більше 70% при температурі навколишнього середовища, нагрівають до температури початку рекристалізації, витримують протягом 0,5-10 хвилин з наступним охолодженням до температури навколишнього середовища зі швидкістю, яка не викликає росту рекристалізаційних зерен. Як відомо, великі ступені деформації (більше 70-80%) призводять до подрібнення зерен через ковзання, яке відбулося на значні відстані. При нагріванні пластично деформованого матеріалу починає протікати процес усунення слідів наклепу, що складається з двох стадій: повернення та рекристалізації. Повернення проходить при відносно низьких температурах (нижче 0,3 Тпл), рекристалізація - при більш високих (0,3-0,8 Тпл). Формування нових зерен при рекристалізації проходить на ді 95378 4 лянках з найбільшою щільністю дислокацій, насамперед на межах деформованих зерен. Чим вище ступінь деформації, тим більше центрів рекристалізації формується, а розмір сформованих центрів залежить від їх кількості. При наступному нагріванні до температурного порогу рекристалізації відбувається формування нових більш дрібних зародків первинної рекристалізації. Такі механічні властивості матеріалів, як твердість та міцність, суттєво залежать від розміру зерен. Тому одним зі способів покращення цих показників є зменшення розмірів зерен, що досягається появою нових дрібних зерен рекристалізації у деформованому матеріалі. При нагріванні деформованого металу або сплаву до температури початку рекристалізації починає проходити процес первинної рекристалізації. Завдяки великій кількості дислокацій та меж деформованих зерен утворюється велика кількість зародків нових рекристалізаційних зерен, що приводить до здрібнення зерна у структурі металу. Створені центри нових зерен збільшують свої розміри, відбувається повне заміщення новими зернами всього об'єму деформованого матеріалу, після чого починає проходити ріст утворених зерен при збільшенні температури або часу витримки. Отримання дрібнозернистої структури з розмірами, зерен, які забезпечують проявлення наномасштабного ефекту, що дає змогу підвищити механічні властивості металів та сплавів, можливо за умови фіксування моменту появи найбільшої кількості центрів первинної рекристалізації, розмір яких буде найменшим. Досягти такого ефекту можливо за умови, якщо швидкість формування нових центрів буде значно перевищувати швидкість їх росту. Реалізувати це можливо при припиненні процесу первинної рекристалізації в момент досягнення зародками розмірів, що забезпечать проявлення наномасштабного ефекту, шляхом достатньо швидкого охолодження деформованого металу до .температури навколишнього середовища. Швидкість охолодження вибирається такою, що не викликає подальшого росту зерен. Дуже важливо щоб час витримки був незначний і складав не більше 0,5-10 хвилин. Саме в цей період нагрівання і відбувається формування нових центрів первинної рекристалізації. Запропонований спосіб забезпечить формування сприятливої субструктури та підвищення механічних властивостей металів. Приклад 1 Електролітичний компактний нікель деформували обтискуванням на ступені 40, 50 та 75%. Потім отримані зразки піддавали нагріванню до температури початку рекристалізації нікелю, що відповідає 0,44 Тпл і складає 480°С, протягом 2-9 хв. з наступним охолодженням до температури навколишнього середовища. Оцінювання твердості нікелю після деформації та після термічної обробки деформованого металу показало підвищення даного показника на 60-90%. Твердість компактного нікелю до деформації складала 24 HRB. Після деформації обтискуванням на 40, 50 та 75% твердість нікелю відповідно зросла до 30,7, 40,4 та 56,6 HRB. 5 Результати залежності твердості деформованого нікелю від часу витримки при термічній обробці показано на Фіг.1. Результати досліджень впливу термічної обробки на субструктуру деформованого нікелю зі ступенем обтискування 75% (Фіг.2) оцінювали за зміною розміру областей когерентного розсіювання (ОКР). Встановлено, що після термічної обробки відбувається зменшення ОКР, збільшення витримки до 35 хвилин приводить до її збільшення. Приклад 2 Технічно чисте залізо деформували обтискуванням на ступінь 72%. Потім отримані зразки піддавали нагріванню до температури початку рекристалізації заліза, що відповідає (0,37-0,4) Тпл і складає 400 і 450°С, протягом 0,5-4,0 хв. з наступним охолодженням до температури навколишнього середовища. Оцінювання твердості заліза після деформації та після термічної обробки деформованого заліза показало підвищення даного показника на 25-30%. Твердість технічно чистого заліза до деформації складала 7 HRC, а після деформації обтискуванням на 72% - 19 HRC. Результати залежності твердості деформованого технічного заліза від часу витримки при термічній обробці показано на Фіг.3. Приклад 3 Зразки сталі У8 деформували обтискуванням на ступінь 75%. Одержані зразки піддавали нагріванню до температури початку рекристалізації сталі, що відповідає 0,4 Тпл і складає 500°С, протягом 0,5-10 хв. з наступним охолодженням до температури навколишнього середовища. Оцінювання твердості сталі У8 після деформації та після термічної обробки деформованого металу показало підвищення даного показника на 20%. Твердість сталі У8 до деформації складала 95378 6 17 HRC, а після деформації обтискуванням на ступінь 75% - 30 HRC. Результати залежності твердості деформованої сталі У8 від часу витримки при термічній обробці показано на Фіг.4. Приклад 4 Зразки сталі 30 ХГСА деформували обтискуванням на ступінь 73%. Отримані зразки піддавали нагріванню до температури початку рекристалізації даної сталі, що відповідає 0,4 Тпл і складає 550°С, протягом 0,5-10 хв. з наступним охолодженням до температури навколишнього середовища. Оцінювання твердості сталі 30 ХГСА після деформації та після термічної обробки деформованого металу показало підвищення даного показника на 40%. Твердість сталі 30 ХГСА до деформації складала 17 HRC, а після деформації обтискуванням на ступінь 73% - 28 HRC. Результати залежності твердості деформованої сталі 30 ХГСА від часу витримки при термічній обробці показано на Фіг.5. Приклад 5 Зразки бронзи БрАМц 9-2 деформували обтискуванням на ступінь 80%. Одержані зразки піддавали нагріванню до температури початку рекристалізації даної сталі, що відповідає 0,4 Тпл і складає 400°С, протягом 0,5-10 хв. з наступним охолодженням до температури навколишнього середовища. Оцінювання твердості бронзи БрАМЦ9-2 після деформації та після термічної обробки деформованого металу показало підвищення даного показника на 20%. Твердість бронзи БрАМц 9-2 до деформації складала 10 HRC, а після деформації обтискуванням на ступінь 80% - 32 HRC. Результати залежності твердості деформованої бронзи БрАМц 9-2 від часу витримки при термічній обробці показано на Фіг.6. 7 95378 8 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 95378 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601