способ определения качества микроструктуры стали

Формула изобретения

1. Способ изготовления деталей из среднеуглеродистой легированной высокопрочной стали, включающий поставку заготовок, контролирование микроструктуры стали заготовок на карбидную сетку на микрошлифах с их травлением на выявление карбидной сетки, получение партии деталей, контролирование микроструктуры стали деталей на микрошлифах с их травлением на выявление карбидной сетки, определение балла карбидной сетки по шестибальной шкале ГОСТ 8233-65, при этом при наличии грубой или сплошной карбидной сетки в заготовках и деталях проводят их термическую обработу, отличающийся тем, что контролируют микроструктуру стали на карбидную сетку в каждой партии деталей после закалки, выполненной в вакуумных печах, а годность партии деталей оценивают по допустимому значению балла карбидной сетки не более четырех.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для устранения грубой или сплошной карбидной сетки в заготовках проводят термоциклическую обработку.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для устранения грубой или сплошной карбидной сетки в деталях проводят ускоренное охлаждение при закалке.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к области машиностроения и может применяться при изготовлении деталей машин и конструкций из среднеуглеродистых легированных высокопрочных сталей, контроле их качества, а также при анализе причин неожиданного разрушения.

Известны способы металлургического контроля качества стали по микроструктуре, в том числе контроля карбидной сетки, снижающей механические свойства стали, особенно в закаленном состоянии. Карбидная сетка может быть в структуре металлопроката в состоянии поставки (первичная) или возникает при медленном охлаждении после аустенитизации стали (вторичная). Известны способы контроля карбидной сетки после закалки с отпуском.

В стандартах на инструментальные стали предусмотрены контроль и ограничение балла карбидной сетки. Это касается ГОСТ 1435-99 на инструментальные углеродистые стали, ГОСТ 5950-2000 на легированные стали. Подшипниковая сталь также выпускается с ограничением балла остатков карбидной сетки - ГОСТ 801-78. Все эти стандарты содержат свои шкалы микроструктуры для определения балла карбидной сетки. Имеются шкалы определения и ограничения более грубых скоплений карбидов - карбидной неоднородности в инструментальных сталях, в том числе в виде сетки по границам зерен, например по ГОСТ 19265-73 на быстрорежущие стали.

Однако нет стандартов, предусматривающих шкалу определения и, тем более, ограничения карбидной сетки в конструкционных легированных сталях. ГОСТ 5640-68 распространяется только на малоуглеродистые и углеродистые стали. Есть отдельные стандарты на металлопродукцию, где предусмотрен контроль и даже ограничение карбидной сетки легированных сталей, например ГОСТ 24885-91 на сепараторы центробежные жидкостные (детали из стали 07Х16Н6). Здесь, очевидно, ограничение карбидной сетки и даже ее запрет связан с гарантированием высокой стойкости деталей из коррозионностойких сталей к межкристаллитной коррозии. При этом метод определения карбидной сетки предусмотрен по ГОСТ 8233-56 "Сталь. Эталоны микроструктуры". ГОСТ 8233-56 содержит шестибалльную шкалу микроструктур при увеличении 500 для определения балла карбидной сетки контролируемых деталей, для которых в нормативно-технической документации имеется ссылка на этот стандарт. Балл 6 - сплошная сетка карбидов.

В легированных сталях низкоуглеродистых карбидная сетка или отдельные карбиды, ориентированные по границам зерен, четко выделяются от основной структуры, например, аустенитной в стали типа 12Х18Н10Т или аустенитно-мартенситной в стали 07Х16Н6 и др. Для стали 07Х16Н6 нами установлена значимая линейная зависимость падения механических свойств с ростом балла карбидной сетки (Кс):

_в(МПа)=1273,6-15 Кс,

_0,2(МПа)=1099,6-23 Кс,

(%)=74-1,8 Кс,

КСU (МДж/М²)=2,52-0,26 Кс.

В сталях же среднеуглеродистых, легированных карбидообразующими элементами (ванадий, титан, молибден, вольфрам, ниобий, хром, марганец, цирконий, тантал), карбидов достаточно много и располагаются они не только по границам зерен, но и внутри зерен. Может быть поэтому карбидную сетку здесь выявлять труднее, ее влияние на механические свойства несколько сглаживается. Все это привело к тому, что на влияние карбидной сетки в легированных среднеуглеродистых сталях мало обращается внимания при анализе потери пластичности сталью и других механических свойств и анализе причин разрушения детали.

За ближайший аналог взят ГОСТ 8233-56. Недостаток прототипа: не регламентированы марки сталей, подлежащие контролю карбидной сетки по шестибалльной шкале.

Задача изобретения: не допускать изготовления высокопрочных деталей из среднеуглеродистых легированных сталей с микроструктурой, содержащей грубую карбидную сетку.

Поставленная задача решается тем, что:

1) контролируют карбидную сетку в каждой партии деталей после закалки, выполненной в вакуумных печах, а годность партии деталей оценивают по допустимому значению балла карбидной сетки не более четырех;

2) для устранения грубой или сплошной карбидной сетки в заготовках проводят термоциклическую обработку (ТЦО);

3) для предотвращения грубой или сплошной карбидной сетки в деталях проводят ускоренное охлаждение при закалке.

Для реализации способа выполняют операции:

1. Контролируют карбидную сетку в заготовках стали. При наличии грубой сетки или сплошной вводят ТЦО (Л.П.Карпов, Е.М.Чертовикова. Влияние предварительной и повторной термической обработки на пластичность и структуру стали 25Х17Н2Б//МиТОМ. 1995, №8, с.9-11).

2. Изготавливают партию образцов, включая термообработку по режимам, принятым для деталей.

3. Контролируют свойства образцов и карбидную сетку на соответствие требованиям нормативной документации.

4. При несоответствии выполняют предварительную термообработку.

5. При необходимости устранения грубой первичной карбидной сетки делают ТЦО, а вторичной - ускоренное охлаждение при закалке,

Способ проверен практически при изготовлении промышленных деталей из прутков диаметром 16 мм стали 25Х17Н2Б-Ш.

ПРИМЕР 1. При вакуумной закалке шпилек М8 обнаружена партия хрупких деталей с карбидной сеткой и крупным зерном. Проверка закалки образцов-свидетелей и шпилек в вакуумных печах разных типов показала наличие в микроструктуре карбидной сетки (см. таблицу), снижающей ударную вязкость стали. В состоянии поставки сталь имела карбидную сетку до 5 балла.

Приняты технологические меры, исключающие перегрев стали и рост карбидной сетки.

ПРИМЕР 2. Детали из стали 25Х17Н2Б-Ш на твердость 45-50 НRС, ударную вязкость не менее 8 кгс·м/см² , предел текучести 120-150 кгс/мм² закаливали с нагревом 1100°С в соляной хлор-бариевой ванне и охлаждением в масле. После обработки холодом и отпуска проверяли твердость и механические свойства, при этом ударная вязкость не всегда укладывалась в норму. В микроструктуре деталей обнаружена карбидная сетка (см. чертеж) от 1 до 5 балла на разных партиях закалки, т.е. закалка не стабильна. Карбидная сетка наблюдалась и в состоянии поставки прутков диаметром 16 мм - до 5 балла.

С ростом балла карбидной сетки твердость деталей падает, т.к. твердый раствор обедняется легирующими элементами. Приняты меры, исключающие подстуживание деталей при закалке, что приводит к выделению сетки карбидов.

На чертеже приведена карбидная сетка 5-го балла термообработанной стали 25Х17Н2Б-Ш, х 500.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении механических свойств деталей, снижении вероятности неожиданных хрупких разрушений высокопрочных деталей. В отраслевой стандарт РД95 3410-88 "Анализ причин разрушения и лабораторные исследования металлических деталей" введено требование о контроле карбидной сетки.

Таблица Карбидная сетка в стали 25Х17Н2Б-Ш после закалки в вакуумных печах разного типа
Вакуумная печь, тип	t3 , °C	V, о/с	Кс, балл	Зерно, номер	КСU, МДж/м2
СШВ 1.2.5/25И1	1100	0,35	4-5	8-11	0,27-0,29
СЭВ 3.3	1100	0,11	3	4-7	0,29-0,40
СГВ - 2.4	1030	1,3-1,6	2-5	9-10	0,20-0,35
СГВ - 2.4	более 1030	1,3-1,6	6	1-2	-
Без закалки в состоянии поставки отожженная	-	-	1-5	9-10	-
Нагрев ТВЧ	1100	-	2-3	7-9 местами-6	-