способ упрочнения сплава на основе железа

Формула изобретения

1. Способ упрочнения сплава на основе железа, содержащего свободный и связанный углерод, заключающийся в выплавке сплава, обработке давлением и/или получении изделия с последующим переводом свободного углерода в количестве 1-100% в связанное с железом состояние, путем нагрева при температуре 723-1100°С и выдержки при этой температуре в течение 0,1-100 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упрочнению подвергают отдельные зоны на поверхности и в объеме материала сплава или изделия, выполняющие роль армирующих элементов за счет придания им гетерогенной структуры с различным соотношением прочностных и пластических свойств, путем перевода свободного углерода в связанное состояние на части материала, составляющей 1-99% его массы и/или поверхности, при местном нагреве материала в соответствующих зонах и последующей выдержке.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для упрочнения поверхности материала сплава и сохранения его свойств внутри объема перевод свободного углерода в связанное состояние осуществляют в поверхностных слоях на глубину 0,01-0,90 толщины.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания на поверхности материала сплава зоны с повышенными пластическими свойствами и одновременного придания повышенных прочностных свойств слоям материала, расположенным под наружной поверхностью и внутри материала, перед началом перевода свободного углерода в связанное состояние осуществляют предварительное удаление 0,1-100% свободного углерода из поверхностных зон на глубину 0,01-0,9% толщины материала путем нагрева в окислительной и/или нейтральной атмосфере при температуре, меньшей температуры карбидизации, с последующей выдержкой в течение 0,1-25 ч, после чего температуру нагрева повышают до значений равной и/или большей температуры карбидизации и выдерживают при этой температуре в течение 0,1-100 ч.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для упрочнения сердцевины сплава перевод углерода из свободного в связанное состояние осуществляют путем нагрева внутренних частей материала с последующей выдержкой.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для улучшения свариваемости сплава осуществляют удаление 1-100% свободного углерода на наружных поверхностях, предназначенных под сварку на глубину, равную 0,5-500 мм, путем нагрева в окислительной и/или нейтральной атмосфере.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что для получения в материале сплава упорядоченного расположения зон упрочнения нагрев и выдержку осуществляют на части поверхности в форме точек, кругов, продольных и/или поперечных прямых и косых линий, винтовых линий и других геометрических линий и поверхностей, при этом суммарную величину упрочненных участков поддерживают в пределах 1-99% от общей поверхности материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сплавам на основе железа, содержащим свободный и связанный углерод, а также к способам упрочнения и может быть использовано при производстве конструкционных элементов и изделий, к которым предъявляются требования по регулируемому соотношению прочностных и пластических свойств материала как по сечению изделия, так и по его габаритам.

Для повышения прочностных характеристик, твердости, износостойкости поверхностных слоев изделий из сплавов железа в технике широко известен и применяется целый ряд способов пластической деформации, термической и химико-термической обработки металла: наклеп, поверхностная закалка, цементация, фосфотирование, планирование, плазменная и лазерная обработки и т.п. [1], каждый из которых, имея свои достоинства, обладает и определенными недостатками. Так, для поверхностного упрочнения путем наклепа необходимо обеспечить наличие в поверхностных слоях содержания связанного углерода (в виде цементита) не более 0,3%, помимо этого, поскольку наклеп осуществляется путем пластической деформации изделия, то в результате деформации неизбежно изменяется форма (размеры) готового изделия, что требует в дальнейшем его дополнительной обработки для обеспечения требуемых габаритов.

Термическая термомеханическая, химико-термическая и т.п. обработка изделий требуют энергозатрат, а в ряде случаев и затрат на создание специальных газовых или иных сред и соответствующего оборудования для проведения обработки. Это неизбежно удорожает стоимость продукции, а в ряде случае (возможность формоизменения, например, коробления при нагреве тонких изделий до высоких температур) требует последующей дополнительной обработки изделий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и достигаемому результату является способ [2] выплавки сплава на основе железа, содержащего свободный и связанный углерод, включающий выплавку низкоуглеродистого полупродукта, его перегрев выше температуры ликвидуса, раскисление, науглероживание и доводку, выпуск, разливку, кристаллизацию и обработку сплава давлением; при этом науглероживание осуществляют дисперсным углеродом в виде частиц сажи (или сажистого железа) с размерами углеродных частиц 10^-5-10^-7 см, которые вводят в расплав перед выпуском из сталеплавильного агрегата либо в процессе разливки.

Техническим результатом этого способа является повышение пластичности материала изделий. Недостатком известного способа является пониженная прочность из-за малой доли связанного в цементит углерода в матрице сплава и отсутствие возможности ее регулирования после окончания обработки сплава давлением и изготовления изделия. Технической задачей изобретения является упрочнение сплава, изготавливаемого на основе железа, содержащего кроме связанного свободный углерод, за счет перевода в цементит (связанный углерод) части или всего свободного углерода после окончания обработки сплава давлением и/или изготовления готового изделия и увеличения за счет этого перевода прочностных свойств металлической матрицы.

Технический результат достигается способом упрочнения сплава на основе железа, содержащего свободный и связанный углерод, включающий выплавку сплава, обработку давлением и/или получение изделия с последующим переводом свободного углерода в количестве 0,1-100% в связанное с железом состояние, путем нагрева при температуре 723-1100^oС и выдержки при этой температуре в течение 0,1-100 ч.

Способ, в котором упрочнению подвергают отдельные зоны на поверхности и в объеме материала сплава или изделия, выполняющие роль армирующих элементов за счет придания им гетерогенной структуры с различным соотношением прочностных и пластических свойств, путем перевода свободного углерода в связанное состояние на части материала, составляющей 1-99% его массы и/или поверхности при местном нагреве материала в соответствующих зонах и последующей выдержке.

Способ, в котором для упрочнения поверхности материала сплава и сохранения его свойств внутри объема, перевод свободного углерода в связанное состояние осуществляют в поверхностных слоях на глубину 0,01-0,90 их толщины.

Способ, в котором для создания на поверхности материала сплава зоны с повышенными пластическими свойствами и одновременного придания повышенных прочностных свойств слоям материала, расположенным под наружной поверхностью и внутри материала, перед началом перевода свободного углерода в связанное состояние осуществляют предварительное удаление 0,1-100% свободного углерода из поверхностных зон на глубину 0,01-90% толщины материала путем нагрева в окислительной и/или нейтральной атмосфере при температуре, меньшей температуры карбидизации, с последующей выдержкой в течение 0,1-25 ч, после чего температуру нагрева повышают до значения, равного и/или большего температуры карбидизации, и выдерживают при этой температуре в течение 0,1-100 ч.

Способ, в котором для упрочнения сердцевины сплава перевод углерода из свободного в связанное состояние осуществляют путем нагрева внутренних частей материала с последующей выдержкой.

Способ, в котором для улучшения свариваемости сплава осуществляют удаление 0,1-100% свободного углерода на наружных поверхностях, предназначенных под сварку на глубину, равную 0,5-500 мм, путем нагрева в окислительной и/или нейтральной атмосфере.

Способ, в котором для получения в материале сплава упорядоченного расположения зон упрочнения, нагрев и выдержку осуществляют на части поверхности в форме точек, кругов, продольных и/или поперечных прямых и косых линий, винтовых линий и других геометрических линий и поверхностей, при этом суммарную величину упрочненных участков поддерживают в пределах 1-99% от общей поверхности материала.

Граничные значения интервала долей свободного углерода, который переводят в связанное состояние, определено экспериментальным путем.

В выплавляемом сплаве содержание свободного углерода составляет 0,01-2,24%. При максимально разрешенной доле свободного углерода 2,24% перевод 1% от этой доли углерода обеспечит прирост содержания связанного углерода на 0,0224%, то есть примерно на 0,02%. Увеличение содержания связанного углерода на 0,1% в углеродистых конструкционных сталях согласно [3] при одинаковых условиях термической обработки и примерно одинаковом содержании остальных (сопутствующих) элементов приводит к увеличению предела прочности примерно на 30 МПа. Если будет осуществлен перевод (относительного) 1% имеющегося в сплаве свободного углерода в связанный углерод, это позволит увеличить предел прочности материала на 5-6 МПа, что для определенных условий является существенным. Поэтому нижняя граница интервала значений для перевода свободного углерода в связанное с железом состояние принята 1,0 отн. %.

Верхняя граница интервала - 100% свободного углерода - предусматривает перевод всего свободного углерода в связанное с железом состояние для обеспечения максимально возможного упрочнения материала (матрицы изделия).

Интервал температур нагрева 723-1100^oС принят исходя из следующего.

При температурах ниже 723^oС в системе железо-углерод (железо-графит), имеющийся в виде отдельных частиц, расположенных в матрице, свободный углерод не растворяется в железе и не взаимодействует с ним, поскольку является стабильной фазой, при этом структура железа представляет объемно-центрированную решетку, растворимость углерода в которой меньше 0,02%. При температурах выше 723^oС [1, с. 32] свободный углерод растворяется в матрице из -Fe, образуя аустенит. После охлаждения аустенита ниже температуры 723^oС происходит превращение аустенита в смесь феррита и цементита (связанного углерода) с упрочнением матрицы изделия.

Верхний предел температуры - 1100^oС - выбран по следующим причинам. В соответствии с диаграммой состояния железо-графит (железо-углерод) [1, с. 32] максимальная растворимость свободного углерода в аустените, составляющая 2,11 мас. %, достигается при температуре 1100^oС. При возможном содержании свободного углерода 2,24% нагрев сплава выше 1100^oС может привести согласно диаграмме состояния железо-углерод к выделению жидкой фазы при полном растворении имеющегося углерода. Кроме того, нагрев выше 1100^oС ведет к росту аустенитного зерна с образованием крупнозеренной, ухудшающей механические свойства материала, структуры сплава после завершения обработки.

Время выдержки 0,1-100 ч принято исходя из следующего.

Известные [1] процессы цементации изделий из стали, в которых осуществляется перевод свободного углерода из газовой фазы в матрицу из -железа при температурах 900-950^oС для насыщения поверхностных слоев сплава дополнительным углеродом, обеспечивающим после охлаждения материала при полиморфном превращении насыщенной углеродом матрицы выделение цементита. В промышленных условиях в зависимости от вида применяемого карбюризатора (твердый, газовый или жидкость) время цементации рекомендуется в пределах 0,5-100 ч [1, с. 301-302]. Поскольку процессы цементации из "внешнего" источника (карбюризатора) и из частиц свободного углерода физически идентичны, то и максимальное время выдержки при термической обработке сплава принято в тех же пределах. Другим фактором, определяющим эту величину, является время нагрева изделия. Нижний предел выдержки принят равным 0,7 ч, исходя из следующих соображений. В отличие от известного процесса цементации, включающего процесс подвода углерода к поверхности изделия и последующей диффузии углерода через поверхностный слой железа или стали, в предлагаемом способе углерод уже находится в объеме металла. Это ускоряет его переход в связанное состояние и сокращает время, требуемое для перевода углерода из свободного в связанное состояние. По опытным данным это сокращение составляет 3-7 раз, в среднем 5 раз. Поэтому время выдержки принято равным 0,1 ч.

Пример конкретного выполнения. В лабораторной печи Таммана установили алундовый тигель с загруженными в нем кусочками карбонильного железа общей массой 350 г. После включения печи и расплавления навески металла печь накрыли крышкой с подачей под крышку аргона для обеспечения в пространстве печи восстановительной атмосферы. Для максимально возможного удаления растворенного кислорода в металл ввели кусковой кальций - масса присадки кальция составила 0,6 г. После ввода кальция активность кислорода, измеренная методом ЭДС, составила менее 0,0016%. При температуре расплава 1550^oС в печь засыпали на поверхность расплава навеску углерода массой 9,0 г в виде порошка сажи, полученной методом термического разложения углеводородов (ацетилена). При этом диаметр частиц сажи составлял 10^-5-10^-7 см. Расплав для усреднения распределения сажи перемешали кварцевой трубкой и печь немедленно выключили. После кристаллизации сплав охлаждался в тигле совместно с печью до 723^oС, после чего тигель был извлечен и сплав в тигле погрузили в воду для дальнейшего охлаждения. В полученном слитке по результатам химического анализа проб, выполненного на приборе CS 400 фирмы "Deco", содержание общего углерода составило 2,43%. Металлографический анализ шлифов литого металла, выполненный на микроскопе AYMPUS РМЕ3 со сканированием по 25 полям и автоматическим подсчетом доли структурных составляющих, показал, что доля свободного углерода, наблюдаемого в виде графитных включений, составляет 2,01 мас.% ( 9,98%); доля цементита (частиц типа Fe₃C) - 0,42%, феррит - остальное.

В целях перевода свободного углерода в полученном сплаве в цементит образец металла массой 150 г, изготовленный в виде "продольного" темплета литого слитка, был помещен в лабораторную муфельную печь, предварительно нагретую до 950^oС, и выдержан при этой температуре в атмосфере азота в течение 25 ч. После этого печь была отключена и образец извлечен на воздух для естественного охлаждения (нормализация). На шлифе образца, прошедшего термическую обработку по этому режиму, частиц свободного графита не обнаружено, а структура представляла из себя ледебуритную эвтектику (смесь перлита и цементита).

Продолжительность процесса нагрева при температуре 723-1100^oС определена экспериментальным путем.

Предлагаемый способ может использоваться не только для упрочнения всего сплава, но и для упрочнения отдельных зон и участков с целью придания изделиям из сплава различного соотношения прочностных и пластических свойств в разных частях изделия и получения изделия с гетерогенной структурой. Такое упрочнение осуществляется путем перевода углерода из свободного в связанное состояние на части материала, составляющей 1-99% его массы и/или поверхности путем нагрева материала в соответствующих зонах и последующей выдержке.

Верхний предел, равный 99%, отвечает случаю максимального упрочнения материала при сохранении необходимой степени пластичности. Этот случай относится к сталям, к которым по условиям эксплуатации предъявляются повышенные требования в отношении прочности. Зона, оставшаяся неупрочненной и сохранившей вязкость и пластичность, служит для предотвращения случаев хрупкого разрушения и преждевременного выхода изделия из строя.

Нижний предел, равный 1%, отвечает случаю минимального упрочнения материала и максимального сохранения пластических свойств. Этот случай отвечает маркам стали, для которых требуется повышенная пластичность. При выходе за указанные пределы эффективность способа снижается. При упрочнении 100% материала его пластичность снижается, а хрупкость возрастает, что ухудшает эксплуатационные свойства изделия. При упрочнении менее 1% материала эффект упрочнения получается незначительным, что отрицательно влияет на служебные свойства изделия.

Предлагаемый способ упрочнения может быть использован для упрочнения поверхностных слоев изделия на глубину, равную 0,01-0,90 толщины изделия.

Первое значение - нижний предел 0,01 относится к массивным изделиям со значительной толщиной - выше 50 мм. Минимальная высота упрочненного поверхностного слоя при этом получается 0,5 мм, что оказывается вполне достаточным для работы изделия. Если же значение будет менее 0,01%, то толщина поверхностного слоя может оказаться недостаточной для обеспечения длительной работы изделия.

Второе значение - верхний предел 0,90 относится к тонким изделиям типа листового проката или мелкосортного проката. Толщина упрочненного поверхностного слоя при этом значении достигает 0,5 мм и более, что гарантирует необходимую стойкость изделия и его длительную работу.

Если верхний предел превышает 0,90, то слой с упрочненной поверхностью имеет большую толщину. Это удорожает стоимость операции упрочнения и практически не влияет на служебные свойства изделия. Поэтому значения 0,01-0,90 являются наиболее приемлемыми. Выход за эти пределы в ту или иную сторону снижает общую эффективность способа.

Предлагаемый способ позволяет получать сплавы и изделия из них, обладающие повышенными пластическими свойствами на поверхности и повышенными прочностными свойствами внутри материала. Это достигается предварительным удалением 1-100% углерода из поверхностных слоев путем нагрева в окислительной и/или нейтральной атмосфере путем нагрева до температуры не выше 723^oС, выдержкой при этой температуре в течение 0,1-25 ч и последующим повышением температуры до 723-1100^oС и выдержкой в течение 0,1-25 ч. Последнее обеспечивает перевод углерода из свободного в связанное состояние и упрочнение сердцевинной части изделия при сохранении пластичности поверхностных слоев.

Пределы удаления углерода 1-100% из поверхностных слоев выбраны из следующих соображений.

Нижний предел - 1% относится к сталям, содержащим особо низкие содержания углерода, удаление которого в условиях окислительной и/или нейтральной атмосферы сопряжено с затратами времени.

Верхний предел - 100% относится к сплавам с содержанием углерода в количестве 0,1% и выше.

В этом случае поверхностные слои металла не содержат углерода, благодаря чему этот металл на поверхности имеет наивысшую пластичность и вязкость.

Степень удаления углерода в пределах 1-100% гарантирует получение в поверхностных слоях содержания углерода от нуля до значений, близких к содержанию углерода в центре изделия. Это позволяет изменять в широких пределах концентрацию углерода в этой зоне и соответственно пластические и прочностные свойства металла на поверхности.

Если степень удаления углерода составляет менее 1%, то количество углерода, удаленного из металла, получается весьма малым и пластические свойства на поверхности остаются практически неизменными. Это снижает эффективность предлагаемого способа.

Если же степень удаления углерода достигает максимальной величины - 100%, то на поверхности металла образуется безуглеродистый слой, обладающий высокой вязкостью и пластичностью. Это значение является предельным.

Предлагаемое соотношение 1-100% обеспечивает получение в поверхностном слое углерода в пределах от нуля до значений, близких к его содержанию в центре изделия. Благодаря этому открываются возможности регулирования пластических и прочностных свойств металла на поверхности в широких пределах по отношению к свойствам металла в центре изделия.

Наличие окислительной и/или нейтральной атмосферы позволяет производить обезуглероживание поверхностных слоев с высокой и регулируемой скоростью по сравнению с восстановительной атмосферой. Эти факторы и определяют выбор типа атмосферы.

Температура нагрева не выше 723^oС продиктована тем, что в этом случае при удалении свободного углерода из поверхности металла за счет нагрева согласно диаграмме состояния железо-углерод исключается изменение микроструктуры металла и она сохраняется в исходном состоянии. Превышение этого уровня во избежание изменения структуры металла нецелесообразно.

Время выдержки 0,1-25 ч выбрано из опытных данных.

Нижнее значение относится к изделиям, для которых задается минимальная величина удаления углерода, равная 1%. Это, прежде всего, стали с особо низким содержанием углерода. Верхнее значение относится к случаю, когда степень удаления углерода должна быть максимальной, равной 100%. Это позволяет удалить заданное количество углерода. Приведенные значения 0,1-25 ч позволяют получить любую заданную степень удаления углерода - от 1 до 100%. При сокращении времени выдержки ниже указанного предела необходимая степень удаления углерода не достигается. Увеличение времени выдержки выше 25 ч нецелесообразно, поскольку удаление углерода не требует столь большого времени. Поэтому предел 0,1-25 ч является наиболее рациональным.

Температура нагрева изделий после удаления части или всего свободного углерода из поверхностных слоев установлена в пределах 723-1100^oС. Эти температуры обеспечивают перевод углерода из свободного в связанное состояние и упрочнение металлической матрицы. При этом с повышением температуры с 723 до 1100^oС процесс перехода углерода в карбид железа ускоряется.

При температуре ниже 723^oС процесс перехода углерода в связанное состояние не протекает. Поэтому нижний предел выбран равным 723^oС. Если температура нагрева превышает 1100^oС, то при этом имеет место укрупнение зерна, снижающее свойства металла. Поэтому верхнее значение температуры ограничивается пределом 1100^oС.

Выдержка изделия при температуре нагрева 723-1100^oС принята равной 0,1-25 ч.

Как уже отмечалось выше, это время выбрано исходя из практики цементации, равной 0,5-15 ч. Однако нижний предел выдержки 0,5 ч уменьшен до 0,1 ч. Это объясняется тем, что углерод, который должен быть переведен из свободного в связанное состояние, в отличие от процесса цементации находится внутри сплава. Это ускоряет время цементации в несколько раз и позволяет снизить величину выдержки (нижний предел) с 0,5 до 0,1 ч.

Несмотря на отмеченные выше отличия, верхний предел выдержки металла - 25 ч в предлагаемом способе сохранен на уровне, отвечающем известному способу цементации. Это объясняется тем, что в массивных изделиях наиболее медленными стадиями являются как процесс нагрева изделия, так и процесс образования карбида железа, то есть цементация. По этой причине верхний предел времени выдержки должен быть равен 25 ч. Если принять время выдержки менее 0,1 ч, то процесс перехода углерода из свободного в связанное состояние полностью не успевает завершиться. Если время выдержки принять равным более 5 ч, то это увеличивает затраты на процесс упрочнения. Исходя из этого, пределы 0,1-5 ч являются наиболее целесообразными.

Предлагаемый способ упрочнения делает возможным не только сплошное упрочнение всего изделия или части его, но упрочнение изделия в отдельных точках и/или в виде линий различной формы, проходящих по поверхности изделия. Этот метод позволяет получать сплавы с максимально развитой гетерогенной структурой, в которой зоны с повышенной пластичностью располагаются рядом с зонами упрочнения, чередуясь по части либо по всей поверхности изделия.

Верхний предел - 99% относится к сплавам, к которым предъявляются повышенные требования в отношении прочности, твердости, износостойкости.

Нижний предел - 1% относится к сплавам, для которых требуется максимальная пластичность при минимальной прочности.

Если значение превышает 99%, то вся поверхность изделия получается упрочненной и не содержит зон, имеющих высокую пластичность. Поверхность материала изделия получается чрезмерно прочной, склонной к охрупчиванию, что нежелательно.

Если значение менее 1%, то суммарная величина упрочненных участков поверхности получается недостаточной и не обеспечивает требуемой степени упрочнения поверхности изделия. Это снижает ее эксплуатационные характеристики и эффективность предлагаемого способа в целом.

Источники информации

1. Термическая обработка в машиностроении. Справочник под ред. Ю.М.Лахтина и А.Е.Рахштадта. - М., "Машиностроение", 1980. - 783 с., ил.

2. Патент РФ 2135617.

3. Гуляев А.П. Металловедение. М., "Металлургия", 1986, 544 с.