способ получения высокопрочных тонкостенных стальных изделий точных геометрических размеров

Формула изобретения

1. Способ получения высокопрочных тонкостенных стальных изделий точных геометрических размеров, включающий установку изделий из мартенситностареющей стали с зазором на стойку, составленную из n-ого количества оправок из аустенитной стали и термическую обработку в безокислительной среде, состоящую из цикла закалок и деформационного старения, при которой производят нагрев изделий на оправках до температуры закалки и старения, выдержку в нагревательной камере с последующим охлаждением, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в печи с муфелем, предварительно нагретым до технологической температуры, а охлаждение - в емкости с разъемным соединением для герметичного подсоединения к открытой нижней части муфеля, в начале процесса стойку из изделий и оправок устанавливают в приспособлении с установочными элементами и размещают в емкости для охлаждения, осуществляют продувку емкости инертным газом при избыточном давлении, создавая безокислительную среду, затем емкость подсоединяют к муфелю, продолжая продувку инертным газом, приспособление с изделиями на оправках перемещают в нагретое рабочее пространство муфеля и устанавливают концентрично цилиндрической поверхности муфеля, причем перемещение, нагрев и выдержку изделий на оправках производят в среде инертного газа при давлении выше атмосферного, после нагрева ведут ускоренное охлаждение стойки с изделиями и оправками путем перемещения в емкость для охлаждения, при этом процесс охлаждения ведут, не отключая емкость для охлаждения от муфеля, при давлении инертного газа выше атмосферного или, отключив ее от муфеля, с последующим восстановлением давления в емкости для охлаждения выше атмосферного, затем производят выгрузку стойки из изделий с оправками на воздух при температуре оправок не выше 150°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев, выдержку и охлаждение осуществляют в аргоне.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев и выдержку производят в печах, в которых внутренний диаметр муфеля выполнен с небольшим превышением диаметра изделия, при их соотношении 5:4.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагрев, выдержку и охлаждение осуществляют при давлении не ниже 50 мм водяного столба.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки изделий из мартенситностареющих сталей для получения высоких прочностных характеристик в сочетании с точными размерами тонкостенных деталей и емкостей.

Известен взятый в качестве прототипа способ получения высокопрочных тонкостенных стальных изделий точных геометрических размеров, включающий установку изделий из мартенситностареющей стали с зазором на стойку, составленную из n-ого количества оправок из аустенитной стали, экранирование их от наружного теплового потока нагревателя с помощью стальной трубы-экрана, установленной концентрично оправкам, и термическую обработку, состоящую из цикла закалок и деформационного старения, при которой производят нагрев изделий на оправках до температуры закалки и старения, выдержку и последующее охлаждение изделий в нагревательй камере в безокислительной среде (см. RU 2233340, С 21 0 9/06, 27.07.04).

Недостатки прототипа: использование экрана снижает скорость нагрева и охлаждения, в результате увеличивается длительность технологического процесса закалки и старения изделий. Нагрев с малой скоростью при закалке приводит к попутному старению - повышению твердости и прочности изделий, а затем к аустенизации и разупрочнению, в результате время выдержки при закалке увеличивают. Нагрев с малой скоростью при старении приводит к попутному старению, которое начинается с температуры 320°С, при этом повышаются твердость, прочность, упругость изделий, которые еще не достигли технологической температуры старения 490°С. В результате увеличение диаметральных размеров упрочняющихся изделий от действия оправок по мере нагрева будет разным, что влияет на их окончательные размеры.

Предлагаемым способом решается задача:

- снижение себестоимости изделий благодаря уменьшению процентного соотношения брака в числе готовых изделий с одновременным снижением материальных и энергетических затрат на их производство за счет существенного сокращения времени на термообработку.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в следующем:

- стабильное получение геометрических размеров тонкостенных изделий при обеспечении заданного уровня механических свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения высокопрочных тонкостенных стальных изделий точных геометрических размеров, включающем установку изделий из мартенситностареющей стали с зазором на стойку, составленную из n-ого количества оправок из аустенитной стали, и термическую обработку в безокислительной среде, состоящую из цикла закалок и деформационного старения, при которой производят нагрев изделий на оправках до температуры закалки и старения, выдержку в нагревательной камере с последующим охлаждением, новым является то, что термообработку осуществляют в муфельных печах с предварительно нагретым до технологической температуры муфелем и емкостью для охлаждения, снабженной разъемным соединением для герметичного подсоединения к открытой нижней части муфеля, в начале процесса термообработки стойку из изделий с оправками устанавливают в приспособлении с установочными элементами и размещают в емкости для охлаждения концентрично ее внутренней трубе, осуществляют продувку инертным газом при избыточном давлении, создавая безокислительную среду, затем емкость для охлаждения подсоединяют к муфелю, продолжая продувку инертным газом, далее стойку из изделий с оправками для термообработки перемещают в нагретое рабочее пространство муфеля и устанавливают концентрично цилиндрической поверхности муфеля, причем перемещение, нагрев и выдержку изделий на оправках производят в среде инертного газа при давлении выше атмосферного, а для ускоренного охлаждения вне зоны нагрева стойку перемещают снова в емкость для охлаждения, при этом процесс охлаждение ведут, не отключая емкость для охлаждения от муфеля при давлении инертного газа выше атмосферного или отключив ее от муфеля с последующим восстановлением давления в емкости для охлаждения выше атмосферного, затем производят выгрузку стойки из изделий с оправками на воздух при температуре изделий не выше 150°С.

Нагрев, выдержку и охлаждение осуществляют в аргоне.

Нагрев и выдержку производят в печах, в которых внутренний диаметр муфеля выполнен с небольшим превышением диаметра изделия, при их соотношении 5:4.

Нагрев, выдержку и охлаждение осуществляют при давлении не ниже 50 мм водяного столба.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Предлагаемый способ реализуется с помощью муфельной печи по патенту RU 2232363, F 27 В 1/00, 5/04, 10.07.04 г., где в качестве рабочей среды используют инертный газ - аргон. В печи используется схема наружного обогрева изделий с оправками. Муфель выполнен открытым в нижней части. Емкость для охлаждения (и загрузки) с помощью разъемного соединения герметично соединена с нижней частью муфеля через переходное устройство, имеющее заслонку. Емкость для охлаждения (и загрузки) имеет рубашку для циркуляции охлаждающей воды.

Пример реализации способа получения высокопрочных стальных тонкостенных изделий точных геометрических размеров. Способ осуществляется термообработкой, а более конкретно, путем деформационного старения мартенситностареющей стали марки ЧС-35ВИ закаленных кольцевых изделий или кольцевых изделий с внутренним гофром с толщиной стенки 0,12 мм - 0,15 мм с целью формирования окончательной величины наружного диаметра 132^+0,04 мм.

На каждом этапе термообработки, состоящей из цикла закалок и старения, кольцевые заготовки изделий устанавливают с зазором на стойку, составленную из n-ого количества оправок, которую располагают в специальном приспособлении. Количество оправок n определяется высотой рабочего пространства муфеля печи.

Стойку из изделий с оправками помещают в емкость для охлаждения (и загрузки), внутренний диаметр которой находится в соотношении с диаметром изделий ˜5:4. Специальное приспособление, на котором собрана стойка, имеет установочные элементы, обеспечивающие концентричное расположение стойки по отношению к внутренней трубе емкости для охлаждения.

Герметично закрывают емкость для охлаждения крышкой, подают инертный газ, например аргон, и обеспечивают 5-6-кратный газовый обмен объема емкости для охлаждения (и загрузки) при избыточном давлении не менее 50 мм водяного столба. Избыточное давление необходимо для надежного удаления воздуха из очень малых зазоров между изделиями и оправками во избежание окисления внутренней поверхности изделий во время нагрева.

Снимают крышку с емкости для охлаждения, подключают ее к переходному устройству герметично при закрытой заслонке переходного устройства. При этом подачей аргона с соответствующим расходом в нагретый до технологической температуры муфель печи обеспечивают избыточное давление в нем не ниже 50 мм водяного столба с целью защиты его поверхности от окисления. Продувают переходное устройство печи аргоном и удаляют из него воздух, обеспечивая 5-6-кратный газовый обмен его объема. Расход аргона при продувке устанавливают таким, чтобы избыточное давление в переходном устройстве было ниже, чем в нагретом муфеле печи.

Стойку, составленную из изделий, одетых на оправки, вводят в разогретое до технологической температуры рабочее пространство муфеля печи, внутренний диаметр которого выполнен с небольшим превышением диаметра изделия, при их соотношении 5:4. Стойка из изделий с оправками устанавливается концентрично с цилиндрической поверхностью муфеля. Термообработку ведут в среде инертного газа - аргона при давлении выше атмосферного. При перемещении холодной стойки из оправок с изделиями в нагретое до технологической температуры рабочее пространство муфеля печи происходит резкое уменьшение давления инертного газа в нем, которое становится ниже атмосферного при закалке примерно на 0,2 атмосферы, при старении примерно на 0,1 атмосферы. Падение давления газа в муфеле печи - процесс закономерный и напрямую связан с понижением температуры инертного газа из-за подстуживания его холодной стойкой из изделий с оправками, что крайне нежелательно по причинам:

1. Возможное натекание кислорода из воздушной атмосферы и окисление изделий из-за незначительной разгерметизации печи, что недопустимо.

2. Неравномерность нагрева отдельных участков изделий из-за несовершенства формы и неплотного их прилегания к оправкам в процессе нагрева.

Для поддержания давления инертного газа в разогретом рабочем пространстве муфеля печи выше атмосферного в момент перемещения стойки из изделий с оправками в это пространство предварительно увеличивают подачу инертного газа. Расход его устанавливают таким, чтобы поднять давление инертного газа заведомо выше 1,2 атмосферы при закалке и заведомо выше 1,1 атмосферы при старении.

При установившемся процессе избыточное давление инертного газа в случае использования аргона должно быть не ниже 50 мм водяного столба. При применении более легкого инертного газа (с меньшим молекулярным весом) нижний предел избыточного давления повышают.

За счет вышеперечисленных факторов скорость нагрева изделий увеличивается в несколько раз, тем не менее она не превышает скорости нагрева оправок благодаря тому, что давление газа в печи поддерживается выше атмосферного. Иными словами, плотность газа в разогретой до технологической температуры зоне муфеля печи должна быть такой, чтобы обмен теплом, осуществляемый молекулами инертного газа в системе "разогретое рабочее пространство муфеля печи - изделие - оправка", обеспечивал одинаковую скорость нагрева как изделий, так и оправок. Как показали опыты, вышеуказанное условие выполняется, если давление в печи избыточное по отношению к атмосферному. При опытах давление поддерживалось в пределах 50 мм водяного столба.

После нагрева и выдержки при технологической температуре стойку из изделий с оправками перемещают в емкость для охлаждения.

Скорость охлаждения деталей на оправках примерно одинаковая по высоте стойки из-за:

1. Постоянной температуры внутренней трубы емкости для охлаждения, которая омывается водой.

2. Концентричного расположения стойки из изделий с оправками по отношению к внутренней трубе емкости для охлаждения.

3. Наличия носителя энергии - инертного газа, например аргона, с давлением выше атмосферного (на момент отключения от муфеля в емкости охлаждения в протоке аргона Р _изб.=0).

Благодаря вышеперечисленным факторам достигается одинаковая скорость охлаждения по высоте стойки. Единовременно будет нарушаться плотная посадка изделий на оправках с образованием зазоров, что благотворно влияет на размеры изделий.

В то же время ускоренное охлаждение изделий не только целесообразно экономически, но самым положительным образом влияет на формирование требуемой структуры мартенситностареющих сталей и механические свойства изделий.

При охлаждении могут быть реализованы две технологические схемы:

1. Емкость для охлаждения со стойкой из изделий с оправками не отсоединяют от переходного устройства (муфеля печи). В этом случае герметичность в емкости для охлаждения не нарушается и охлаждение производится при избыточном давлении.

2. Емкость для охлаждения со стойкой отсоединяют от переходного устройства (муфеля печи) при увеличенном расходе аргона, в результате открытая часть емкости для охлаждения на время соединяется с атмосферой. Затем герметично закрывают емкость для охлаждения крышкой со штуцером. В емкости для охлаждения создают избыточное давление. При избыточном давлении в процессе охлаждения увеличенного расхода аргона не требуется.

В случае неотсоединения емкости для охлаждения от муфеля охлаждение изделий происходит достаточно интенсивно и быстро по причинам:

1) муфель отделен заслонкой от емкости для охлаждения, корпус которой охлаждается водой;

2) внутренний диаметр емкости для охлаждения незначительно больше диаметра изделий;

3) внутренняя стальная труба емкости для охлаждения омывается водой, поэтому стенки трубы холодные, так как температура охлаждающей воды на выходе ˜10°С;

4) наличие безокислительной среды - инертного газа с давлением выше атмосферного.

Затраты энергии незначительны, так как во время охлаждения печь работает на холостом ходу, особенно такой способ удобен при окончании работы на печи.

Завершив охлаждение стойки из изделий на оправках по любой технологической схеме, стойку выгружают из емкости для охлаждения на воздух при температуре изделий не выше 150°С. Окончательное охлаждение до температуры окружающего пространства производят на воздухе.

Температурный порог в 150°С выбран потому, что при этой температуре и естественно ниже ее не образуются на изделиях цвета побежалости (окисление поверхности требованиями КД не допускаются). Температура тонкостенных изделий, при которой плотная посадка на оправках нарушена, по условиям охлаждения не может быть выше температуры массивных оправок. Поэтому за эталон принимается температура оправок, кроме того, температуру оправок при охлаждении стойки всегда можно проконтролировать с помощью контрольной термопары, зачеканенной в оправку.

Сравнительный анализ показал, что высокая скорость нагрева стойки сокращает время технологической выдержки изделий при закалочной температуре. Поскольку процессы попутного старения при нагреве практически устранены, поэтому на ранней стадии выдержки достигается однородность аустенита.

Пример для сравнения: время выхода стойки из изделий с оправками на технологический режим закалки (830°С) по предлагаемому способу составляет 45-50 минут, а по способу из прототипа (см. патент RU 2233340) в вакуумной печи СГВ-2,4-2/15ИЗ составляет 240-270 минут.

Высокая скорость охлаждения при закалке уменьшает количество остаточного аустенита в структуре стали, чем обеспечивается более высокий комплекс механических свойств изделий после старения.

Пример для сравнения: время охлаждения стойки из изделий с оправками по предлагаемому способу составляет 2 часа, а по способу из прототипа (см. патент RU 2233340) в вакуумной печи СГВ-2,4-2/15ИЗ составляет 20 часов.

Использование заявляемого способа, заключающегося в проведении термообработки изделий на аустенитных оправкам с использованием ускоренного нагрева и ускоренного охлаждения, позволяет получить геометрические размеры изделий при обеспечении заданного уровня механических свойств в соответствии с требованиями конструкторской документации при закалке и старении тонкостенных кольцевых изделий или кольцевых изделий с внутренним гофром из мартенситностареющих сталей.