способ упрочнения сплава на основе железа
Классы МПК: | C22C1/10 сплавы с неметаллическими составляющими C21C5/00 Получение углеродистой стали, например нелегированной стали с низким или средним содержанием углерода или литой стали C21D1/28 нормализация |
Автор(ы): | Дорофеев Г.А. |
Патентообладатель(и): | Дорофеев Генрих Алексеевич, Общество с ограниченной ответственностью "СКМ" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-04-24 публикация патента:
20.12.2003 |
Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе железа, а также к способам их получения, и может быть использовано при производстве конструктивных элементов и изделий, к которым предъявляются повышенные требования по прочности и пластичности. 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 0,1-100% в связанное с железом состояние, путем нагрева при 723-1100oС и выдержки при этой температуре в течение 0,1-100 ч. 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. 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. 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. Для упрочнения сердцевины сплава перевод углерода из свободного в связанное состояние осуществляют путем нагрева внутренних частей материала с последующей выдержкой. 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. 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. Изобретение позволяет повысить прочностные свойства металлической матрицы. 6 з.п. ф-лы. ---
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 723-1100oС 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 723-1100oС принят исходя из следующего. При температурах ниже 723oС 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 723oС [1, с. 32] свободный углерод растворяется в матрице из![способ упрочнения сплава на основе железа, патент № 2219271](/images/patents/249/2219066/947.gif)
![способ упрочнения сплава на основе железа, патент № 2219271](/images/patents/249/2219066/947.gif)
![способ упрочнения сплава на основе железа, патент № 2219271](/images/patents/249/2219006/8776.gif)
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.
Класс C22C1/10 сплавы с неметаллическими составляющими
Класс C21C5/00 Получение углеродистой стали, например нелегированной стали с низким или средним содержанием углерода или литой стали