способ термической противофлокенной обработки поковок

Формула изобретения

1. Способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение после ковки на воздухе до температуры 250-350°С, нагрев поковок в печи, выдержку при этой температуре и их охлаждение, отличающийся тем, что нагрев поковок в печи ведут до 660-700°С, выдержку проводят с продолжительностью в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле, а охлаждение поковок осуществляют со скоростью 5-20°С/ч до 240-260°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжительность выдержки поковок в печи составляет 5-7 мин на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода 0,00035...0,00050%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжительность выдержки поковок в печи уменьшают на 0,35 мин на 1 мм диаметра поковки при снижении исходного водорода в металле на 0,00001%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдержку в печи поковок из средне- и высоколегированных конструкционных сталей производят с промежуточным переохлаждением на воздухе до температуры 200-300°С в середине выдержки.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что продолжительность выдержки поковок в печи составляет 7-9 мин на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода в металле 0,00035-0,00050%.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что продолжительность выдержки поковок в печи уменьшают на 0,45 мин на 1 мм диаметра поковки при снижении содержания исходного водорода в металле на 0,00001%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии проведения противофлокенной термической обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых, а также мало- и среднелегированных марок сталей.

Известен способ термической противофлокенной обработки крупногабаритных изделий для снижения содержания водорода в стали. Эффективность противофлокенной обработки (ПФО) определяется технологией, которая основывается не на количественных данных об удалении водорода, а на производственном опыте конкретного предприятия [1].

Наиболее близким по своей технической сущности является способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий ковку, охлаждение поковок на воздухе до температуры 250-350°С, нагрев в печи, выдержку при этой температуре и охлаждение [2].

Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа является большая продолжительность противофлокенной обработки.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является сокращение продолжительности термической обработки за счет учета фактического содержания водорода в исходном металле и диаметра поковки.

Поставленная задача достигается за счет того, что предлагается способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение после ковки на воздухе до температуры 250-350°С, нагрев поковок в печи, выдержу при этой температуре и охлаждение, при этом нагрев поковок в печи ведут до 660-700°С, выдержку проводят в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле, а охлаждение поковок осуществляют со скоростью 5-20°С/ч до 240-260°С.

Продолжительность выдержки поковок в печи составляет 5-7 минут на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода 0,00035-0,00050% (3,5...5 см³/100 г), при этом при исходном содержании водорода в металле менее 0,00035% выдержку поковок в печи уменьшают на 0,35 минут на 1 мм диаметра поковки при снижении исходного содержания водорода в металле на 0,00001%.

При термической противофлокенной обработке средне- и высоколегированных конструкционных сталей выдержку в печи поковок производят с промежуточным переохлаждением до температуры 200-300°С в середине выдержки, а продолжительность выдержки составляет 7-9 минут на 1 мм диаметра поковки при исходном содержании водорода в металле 0,00035-0,00050% (3,5...5 см ³/100 г) и при исходном содержании водорода в металле менее 0,00035% выдержку поковок в печи уменьшают на 0,45 минут на 1 мм диаметра поковки при снижении содержания исходного водорода в металле на 0,00001 %.

Охлаждение поковок на воздухе после ковки до температуры 250-350°С обусловлено необходимостью полного протекания процессов распада аустенита. При температуре более 350°С в структуре поковок возможно наличие участков аустенита, растворимость водорода в которых существенно выше, чем в феррите, что в дальнейшем может привести к образованию флокенов. Переохлаждение до температуры менее 250°С приводит к возникновению значительных термических напряжений в поковке и, как следствие, к возможности образования трещин.

Нагрев поковок в печи до температуры 660...700°С и последующая выдержка при этой температуре обусловлены следующим. При температуре более 700°С возможно образование аустенита, растворимость водорода в котором существенно выше, чем в феррите, что при последующем охлаждении может привести к образованию флокенов. При температуре менее 660°С диффузия водорода существенно замедляется, что снижает эффективность удаления водорода из стали.

Охлаждение поковок после термической противофлокенной обработки со скоростью более 20°С/ч приводит к возникновению термических напряжений и, как следствие, к образованию флокенов. Охлаждение со скоростью менее 5°С/ч снижает производительность термического оборудования и экономически нецелесообразно.

Как правило, содержание водорода в металле после вакуумной обработки жидкой стали составляет 0,00035-0,00050% (3,5-5 см³/100 г). Эта концентрация водорода в поковках принята за исходную перед началом ПФО. Содержание водорода, обеспечивающее отсутствие в поковках флокенов, составляет 0,0002% [3]. Отсюда следует, что в процессе ПФО из поковок необходимо удалить 0,00015-0,00030% водорода. Учитывая, что коэффициент диффузии водорода в железе составляет 1,15·10^-3 см²/с [4], для этого потребуется 5-7 мин на 1 мм диаметра поковки, что соответствует диапазону исходного содержания водорода в стали перед ПФО (0,00035-0,00050%). В случае, если исходное содержание водорода в жидкой стали, а следовательно, и в поковке, меньше 0,00035-0,00050%, то выдержка поковок в печи может быть уменьшена на 0,35 минут на 1 мм диаметра поковки при снижении содержания водорода на 0,00001%.

Промежуточное переохлаждение до температуры 200-300°С в середине выдержки в печи поковок из средне- и высоколегированных сталей необходимо для гарантированного распада остаточного аустенита, который в данных сталях отличается повышенной стабильностью. При температуре более 300°С в структуре поковок возможно наличие участков аустенита, растворимость водорода в которых существенно выше, чем в феррите, что в дальнейшем может привести к образованию флокенов. Переохлаждение до температуры менее 200°С экономически нецелесообразно, так как увеличивает продолжительность противофлокенной обработки.

Учитывая более низкую скорость диффузии в средне- и высоколегированных сталях по сравнению с малолегированными для удаления водорода до пределов, обеспечивающих отсутствие флокенов (не более 0,0002%), требуется выдержка 7-9 мин на 1 мм диаметра поковки, что соответствует диапазону исходного содержания водорода в стали перед ПФО (0,00035-0,00050%).

В случае уменьшения исходного содержания водорода в жидкой стали на 0,00001%, выдержка в печи может быть уменьшена на 0,3 минуты на 1 мм диаметра поковки.

Пример осуществления способа

1. В термической печи произведена термическая противофлокенная обработка поковки диаметром 550 мм из стали 40ХН. Исходное содержание водорода - 0,0005%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру 970°С, охлаждалась на воздухе в течение 7,5 часов до температуры 280°С. Затем поковка нагревалась в печи до 680°С в течение 5 часов с последующей выдержкой в течение 55 часов и охлаждением до температуры 250°С со скоростью 20°С в час в течение 21 часа. Таким образом, общее время обработки с учетом охлаждения на воздухе перед ПФО составила 88,5 часа. Процесс ПФО и результаты испытаний приведены в таблице. Как видно, предлагаемый способ обеспечивает сокращение времени ПФО по сравнению с известным на 84,5 час. При этом содержание водорода в поковке снижается с 0,0005 до 0,0002%, что исключает образование флокенов.

2. В термической печи произведена термическая противофлокенная обработка поковки диаметром 600 мм из стали 35Х2Н4М. Исходное содержание водорода 0,0004%. После окончания ковки поковка, имеющая температуру 960°С, охлаждалась на воздухе в течение 7,5 часов до температуры 260°С. Затем поковка нагревалась в печи до 680°С в течение пяти часов с последующей выдержкой в течение 30 часов и далее охлаждалась до 250°С в течение семи часов. Скорость промежуточного переохлаждения составляла 61°С в час. Далее производился повторный нагрев до 680°С в течение восьми часов. Скорость нагрева составляла 54°С в час. Время повторной выдержки при 680°С составляла 30 часов. Далее поковка охлаждалась до температуры 250°С со скоростью 20°С в час в течение 21 часа. Общее время ПФО составило 108,5 часа.

Процесс ПФО и результаты испытаний приведены в таблице. Предлагаемый способ обеспечивает сокращение времени ПФО по сравнению с известным на 114,5 час. При этом содержание водорода в поковке снижается с 0,0004 до 0,0002%, что исключает образование флокенов. Пропорционально сокращению времени ПФО увеличивается производительность печи и сокращается расход топлива на обработку единицы массы продукции.

Предлагаемый способ термической противофлокенной обработки поковок с изменением выдержки в печи в зависимости от диаметра и исходного содержания водорода в металле позволяет, не ухудшая качество поковок, существенно сократить продолжительность ПФО за счет оптимизации времени обработки в зависимости от диаметра поковки и фактического содержания водорода в металле. Это позволит повысить производительность термических печей и сократить расход топлива на термообработку единицы продукции.

Таблица
Параметры	Способ известный		Способ предлагаемый
Марка стали	Сталь перлитного класса (типа 40ХН)	Сталь мартенситного класса (типа 35Х2Н4М)	Сталь перлитного класса (типа 40ХН)	Сталь мартенситного класса (типа 35Х2Н4М)
Температура поковки после ковки, °С	970	970	970	960
Содержание водорода, %	0,0005	0,0005	0,0005	0,0004
Накопление в печи перед ПФО, час.	20	20	нет	нет
Охлаждение на воздухе перед ПФО, час.	нет	нет	7,5	7,5
Температура ПФО, °С	680	680	680	680
Время нагрева до температуры ПФО, час	-	-	5	5
Время выдержки при 680°С, час	170	220	55	30
Время переохлаждения до 250°С, час	-	-	-	7,0
Время нагрева до 680°С. час	-	-	-	8,0
Время 2-й выдержки при 680°С, час	-	-	-	30
Общее время выдержки, час.	170	220	60	80
Время охлаждения, час.	3	3	21	21
Общее время обработки, час.	173	223	88,5	108,5
Содержание водорода после ПФО, %	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002

Источники информации

1. Сергеева Т.К. и др. Поведение водорода в стали 38ХНМФА при разных схемах противофлокенной термической обработки. - Металлы, 1996, № 1, с.74-79.

2. Башнин Ю.А. и др. Термическая обработка крупногабаритных изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах. - М.: Металлургия, 1985, с.72, 73, рис.39б.

3. Поволоцкий Д.Я. и др. Водород и флокеин в стали. - М.: Металлургия, 1959, с.182.

4. Клюев П.В. Содержание водорода и флокеночувствительность при изготовлении крупногабаритных поковок. - Свердловск, НИИТяжмаш, 1961, с.31-46.