способ комплексной термической обработки стали

Формула изобретения

1. Способ комплексной термической обработки заготовок из доэвтектоидных низколегированных сталей, содержащих С 0,15-0,25 мас.% и Mn 1,2-1,7 мас.%, включающий нагрев заготовки до полной аустенитизации структуры, выдержку в межкритическом интервале Ac₁-Ac₃ для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры и охлаждение после выдержки со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование многофазной микроструктуры, отличающийся тем, что после нагрева заготовки до полной аустенитизации структуры проводят ее охлаждение в печи до температуры выдержки 735-740°C или на воздухе до комнатной температуры с последующим нагревом до температуры выдержки 735-740°C, после чего дополнительно осуществляют высокотемпературный отпуск-старение при 550°C в течение 2-2,5 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед нагревом до полной аустенитизации проводят предварительную нормализацию при температуре от 930°C.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термической обработке доэвтектоидных низколегированных сталей и может быть преимущественно использовано при термической обработке сталей типа 20Г-20ГЛ.

Обычно с целью повышения предела текучести этих сталей вместо нормализации проводят их термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокотемпературного отпуска при 600-630°C [1]. Однако общий уровень прочностных свойств повышается при этом незначительно, а по значениям пластичности и ударной вязкости допускается даже снижение по сравнению с нормализованной сталью.

Известен способ термической обработки конструкционных сталей [2] (преимущественно для трубных изделий), включающий первый нагрев выше A_C3 и охлаждение в воде до комнатной температуры, второй нагрев в межкритический интервал температур A_C1-A_C3 и охлаждение в воде, высокий отпуск и охлаждение на воздухе. Способ обеспечивает получение высокой ударной вязкости низкоуглеродистых сталей, однако не позволяет существенно повысить уровень прочностных свойств сталей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки низколегированных, сталей, содержащих до 0,35% С, включающий комплекс операций: нагрев до гомогенной аустенитной структуры, охлаждение до межкритического интервала A_C1-A _C3 с выдержкой для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры, охлаждение до комнатной температуры со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование трехфазной ферритно-мартенситно-аустенитной микроструктуры [3].

Способ обеспечивает получение микрокомпозиционной структуры стали и ее высокие прочностные свойства. Однако способ не позволяет реализовать возможности более значительного повышения всего уровня механических свойств, в частности, ударной вязкости стали.

Задачей изобретения является создание в стали дисперсной многофазной структуры с нанокомпозитными фрагментами, состоящей из дисперсного полигонизованного феррита, зернистого бейнита (обладающего микро- и нанокомпозиционной субструктурой), зернистого троостосорбита и демпфирующих прослоек остаточного аустенита наноразмерной толщины.

Технический эффект - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств стали (предела текучести, предела прочности, пластичности и ударной вязкости).

Это достигается тем, что способ комплексной термической обработки заготовок из доэвтектоидных низколегированных сталей, содержащих С 0,15-0,25 мас.% и Mn 1,2-1,7 мас.%, включает нагрев заготовки до полной аустенитизации структуры, выдержку в межкритическом интервале A_c1-A_c3 для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры и охлаждение после выдержки со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование многофазной микроструктуры, при этом после нагрева заготовки до полной аустенитизации структуры проводят ее охлаждение в печи до температуры выдержки 735-740°C или на воздухе до комнатной температуры с последующим нагревом до температуры выдержки 735-740°C, после чего дополнительно осуществляют высокотемпературный отпуск-старение при 550°C в течение 2-2,5 часов.

Перед нагревом до полной аустенитизации проводят редварительную нормализацию при температуре от 930°C.

Суть изобретения состоит в использовании особенностей химического состава сталей типа 20Г-20ГЛ, связанных с повышенным содержанием сильного элемента-аустенитизатора (марганца), обеспечивающего в процессе комплексной термической обработки значительное диспергирование структуры и ее композиционную гетерогенизацию с формированием наноразмерных фрагментов.

При первом нагреве до температуры (A_C3+50°C) исходное зерно в результате фазовой перекристаллизации измельчается. Дополнительное измельчение обеспечивается и фазовой перекристаллизацией (полной при нормализации или частичной при охлаждении до межкритического интервала температур). При переводе температуры в критический интервал и достаточно длительной выдержке в этом интервале температур аустенитные участки равномерно располагаются в феррите. Марганец при этом избирательно перераспределяется между фазами, резко обогащая и стабилизируя участки аустенита. Феррит в процессе выдержки полигонизируется, сохраняя измельченную структуру. При быстром охлаждении (в воде) в процессе третьей операции в равномерно распределенных участках аустенита происходит частичное мартенситное превращение с сохранением локальных зон стабилизированного аустенита. Последующий отпуск при 550°C приводит к троосто-сорбитному распаду мартенсита и частичному бейнитному превращению остаточного аустенита, который сохраняется в небольших количествах в виде тонких прослоек наноразмерной толщины, обволакивающих дисперсные участки с бейнитно-троосто-сорбитной структурой и выполняющих роль демпфера при нагружении этих участков. Отпуск выполняет еще одну роль, обеспечивая старение части ферритных зерен, пересыщенных марганцем, с формированием в них субструктуры зернистого бейнита. Предварительная обработка стали по п.2 обеспечивает дополнительное измельчение структуры.

Таким образом, в результате предлагаемой комплексной термической обработки в низколегированных марганцевых сталях формируется многофазная композиционная структура с наноразмерными фрагментами. Такая структура обеспечивает значительное повышение всего комплекса механических свойств, включая такие важнейшие из них как предел текучести и ударная вязкость при отрицательных температурах.

Эксперименты проведены на стали 20ГЛ производства Бежицкого сталелитейного завода, содержащей, % масс: 0,22 С, 1,32 Mn, 0,35 Si, 0,07 Cr, 0,12 Ni, 0,10 Cu, 0,02 S и 0,03 P. Термическая обработка проводилась в лабораторной печи на заготовках толщиной 30 мм, вырезанных из стандартных литых трефовидных проб. Использованы 2 режима термической обработки (режимы 1 и 2), соответствующие п.1 формулы изобретения и 1 режим, соответствующий п.2 (режим 3):

1) нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение в печи со скоростью 0,12-0,17 град/с до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 1);

2) нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, нагрев до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 2);

3) нагрев до 930°C, выдержка 20 минут, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение в печи со скоростью 0,12-0,17 град/с до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 3);

Для сопоставления образцы из стали 20ГЛ подвергались термической обработке в соответствии с рекомендацией по ГОСТ 977-88: закалка в воде от 890°C, отпуск 630°C.

Параллельно проведены эксперименты по использованию режима-прототипа применительно к стали 25Л, содержащей 0,9% Mn и 0,35% Si при примерно таком же содержании других примесей, как и в стали 20ГЛ.

Из термообработанных заготовок вырезали образцы для металлографического анализа и механических испытаний.

Исследование структуры сталей проводилось на микроскопе Альтами МЕТ-1М при увеличениях от 100 до 1000 раз. Шлифы подвергались двойному травлению - ниталем и тепловому.

Механические испытания проводили на стандартных образцах, определяли предел прочности (временное сопротивление разрыву) _B, предел текучести _0,2, относительное удлинение ₅, относительное сужение и ударную вязкость KCU_-60 (при -60°C).

Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица
Сталь	Режим термической обработки	Механические свойства сталей
		B	0,2	5		KCU-60	НВ
		МПа		%		Дж/см2
	1 (рис.1)	630-640	480-500	22-25	43-48	40-44	207-217
20ГЛ	2 (рис.2)	640-660	510-530	22-25	43-47	60-65	207-217
	3 (рис.3)	710-730	570-590	20-23	37-40	55-58	217-229
	По ГОСТ 977-88	580-600	390-400	15-18	25-30	32-35	197-207
25Л	По способу-прототипу [3]	580-600	400-420	14-16	25-30	20-25	229-241

Видно, что термическая обработка стали 20ГЛ по предлагаемым режимам 1-3 обеспечивает наиболее высокий уровень ее механических свойств. Значительно ниже свойства стали при использовании стандартной термической обработки в соответствии с ГОСТ 977-88.

Видны также преимущества предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом, используемым применительно к стали 25Л с пониженным содержанием марганца (до 0,9%), хотя в этом случае более высокое содержание углерода и использование режима-прототипа обеспечило повышенные прочностные свойства стали (например, _0,2=400-420 МПа вместо минимальных значений ~300 МПа по ГОСТ 977-88).

Источники информации

1. ГОСТ 977-88.

2. Патент РФ № 2096495, кл. C21D 9/08, C21D 8/10, 1997.

3. Заявка US 02/40126 от 12.12.2002, публикация WO 03/052153 (26.06.2003), публикация заявки в РФ 20.02.2007.