Способ термической обработки заготовок из доэвтектоидных легированных карбидообразующими элементами сталей

 

Сущность изобретения: после нагрева до температур аустенизации заготовки охлаждают в водном растворе полимера акрилатного типа с температурой 65...98°С и вязкостью ..60 сСт до температуры, находящейся в интервале между границей выделения карбидной фазы и температурой начала смачивания полимером поверхности заготовки. Окончательное охлаждение проводят на воздухе, после чего изделия отпускают . 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,, Я2, 1781310 А1 (я)5 С 21 D 1/56, 1/78

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ГИРОВАННЫХ КАРБИДООБРАЗУЮЩИМИ ЭЛ ЕМ Е НТАМИ СТАЛ ЕЙ (57) Сущность изобретения: после нагрева до температур аустенизации заготовки ох1 (21) 4852568/02 (22) 23.07.90 (46) 15.12.92. Бюл. N 46 (71) Научно-производственное объединение

"Волгоградский научно-исследовательский институт технологии машиностроения (72) Г. Т. Божко, Г. В, Изотов, P. В. Рулева и

Е.М, Андрианова (56) Авторское свидетельство СССР

N 1617011, 14,02.89. лаждают в водном растворе полимера акрилатного типа с температурой 65...98 С и вязкостью 10..60 сСт до температуры, находящейся в интервале между границей выделения карбидной фазы и температурой начала смачивания полимером поверхности" заготовки. Окончательное охлаждение проводят на воздухе, после чего изделия отпу(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ЗАГОТОВОК ИЗ ДОЭВТЕКТОИДНЫХ ЛЕскают. 1 з. и. ф-лы, 2 табл,. эбн заГотовок в процессе душировэния водой. по сравнению с сердцевиной. Это приИзобретение относится к металлургии, а именно к способам термической обработки заготовок из конструкционных доэвтектоидных сталей, легированных карбидообраэующими элементами, и может быть использован для улучшения обрабатываемости резанием и снижения коробления изделий после окончательной термообработки.

Известен способ термической обработки заготовок, включающий нагрев под штамповку (аустенитизацию) до 12001300 С для полного растворения карбидов и нитридов, ускоренное охлаждение (душирование водой) до 750 — 800 С для углеродистых сталей и 600-700 С для легированных сталей, кратковременную выдержку при этой температуре, замедленное охлаждение до 400 С и охлаждение на воздухе.

Недостатком указанного способа является неравномерная скорость охлаждения по сечению заготовок, связанная с более быстрым отводом тепла от периферийныМ водит к высокому радиенту температур, который будет тем выше, чем больше сечение заготовки и, как следствие, к значительной неоднородности структуры по сеченйю.

На стадии кратковременной выдержки за счет тепла, аккумулированного заготовкой, происходит разогрев поверхности, а скорость отвода тепла от сердцевины замедляется. В результате, условие ускоренного охлаждения, необходимое для подавления выделения карбидов для крупных заготовок не соблюдается. Это приводит к выделению растворенных при высокотемпературной аустенитизаций карбидов неравномерно по сечению, способствуя формированию карбидной неоднородности. Это отрицательно сказывается на обрабатываемости заготовок резанием и способствует короблению изделий после окончательной термообработки.

ВЕДОМСТВО СССР 4 (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ",:;,;;. ;::;- -.../

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ . " /

Кроме того, замедленное охлаждение и требуемой геометрии иэделий. Таким обравыдержка ряда легированных сталей при зом. нестабильность структуры заготовок температурах 600 — 700 С способствует фор- благодаря эффекту "технологической наследмированию структурной полосчатости, что ственности" между операциями предвариотрицательно влияет на обрабатываемость 5 тельной термообработки, мехобработки и и, как любая неоднородность или анизотро- окончательной термообработки обусловливапия свойств, приводит к короблению дета- ет повышенные деформации и увеличивает величину рассеяния размеров.

Наиболее близким по технической сущ- Целью изобретения является улучшености к предлагаемому является способ 10 ние обрабатываемости и уменьшение котермической обработки заготовок, включа- роблейия изделий после окончательной ющий нагрев до температуры аустенитиза- термообработки за счет повышения одноции, raðÿ÷óþ пластическую деформацию, родностй структуры и предотвращения выпри необходимости, повторный нагрев до деления карбидной фазы. температурй" аустенитизации, ускоренное 15 Поставленная цель достигается тем, что охлаждение, охлаждение на воздухе и от- вспособетермическойобработкизаготовок из доэвтектоидных легированных карбидоОднако йспользование в извеСтйом образующими элементами сталей, преимуспособе в качестве охлаждающей среды по- щественно крупных или в больших садках, " "тра"воздуха имеет ряд существенных недо- 20 включающем нагрев до температур аустенистатков. Прежде всего; реализация тизации, регулируемое охлаждение до эаускоренного охлаждения- стайовйгся не- данной температуры, окончательное возможйой-на отиосительйо"крупйых заго- охлаждение на -воздухе и отпуск, согласно товках и больших садках в связи с малыми изобретению регулируемое охлаждение . технологическими возможностями варьиро- 25 осуществляют в водном растворе полимера, вания скоростей охлаждения и обеспечения акрилатного типа с температурой 65-98 C и . -равномерного отвода тепла как от поверх- вязкостью тео = 10...60 сСтдо температуры, ности каждой заготовки, TBK и от всей садки: . находящейся в интервале между нижней увеличение скорости охлаждение сердцеви- гранйцей выделения карбидной фазы и темны за счет повышения скорости подачи воз- 30 пературой начала смачивания полимером духа приводит к подкалке периферийнйх поверхности заготовки. зон заготовки и в результате, к ухудшению При необходимости после нагрева до обрабатываемости и к увеличению коробле- температуры аустенитизации проводят пла-. ния изделий после окончательной термооб- стическую деформацию, работки; неравномерность охлаждения по 35 В качестве полимера акрилатного типа длине заготовки в зависимости от ее распо- могут быть использованы„например, полиложения по отношению.к направлению по- акрилонитрильный сополимер или полиактока воздуха приводит к неоднородности риламид. структуры и отрицательно сказывается на Проведейие всоответствии с предлагаобрабатываемости заготовок и приводит к 40 емым способом ускоренного охлаждения в короблению деталей; неравномерность ох- высокоаязком родном pàñòâoðå полимера лаждения по объему садки (от заготовок, акрилатного типа в условиях режима пле расположенных внизу садки или более уда- ночного кипению, в частности; в водном расленных от источника воздуха, теплоотвод творе полиакрилонитрильного сополимера существенно затруднен) приводит также к 45 или полиакриламида вязкостью иео =10...60 ухудшению обрабатываемости и значитель- сСт при темпеоатуре 65 — 98 С, позволяет но увеличивает общее поле рассеяния раэ стабилизировать качество каждой заготовмеров в пределах партии готовых деталей. ки и заготовок в пределах партии за счет

Отрицательное влияние неоднородно- повышения однородйости феррито-перлит сти структуры и анизотропии свойств осо- 50 нойструктуры посечениюидлине-заготовок бенно проявляется при сверлении и врезультатеравногоотводатейлаотповерфрезеровании заготовок инструментом из хности каждой заготовки и заготовок всей быстрорежущей стали, являющимся струк- партии в целом, снижения градиента темпетурно-чувствительнйм ийструментом.: ратур между поверхностью и сердцевиной, В свою очередь, структурные измене- 55 исключения возможности подкалки, т.е. ния в поверхностных слоях, вызванные ме- получения троостомартенситной структуры ханической обработкой, при различной в периферийных зонах заготовок. Это доисходной структуре носят разный характер, стигается созданием вокруг охлаждаемой вызывая различную степень наклепа. Это заготовки режйма устойчивого пленочного приводит к затруднениям при обеспечении

1781310 кипения (парожидкостной пленки), при ко- Охлаждение в высоковязком водном ором интенсивность Нплботдачи значи- растворе полймера акрилатного тйпа до тельно меньше по сравнению с режимом температуры выше нижней границы выдепузырькового кипения и в процессе охлажде- ленйя карбидной фазы, приводит к выделения практически не меняется, что стабилизи- 5 нию карбидов при дальнейшем охлаждении рует процесс отвода тепла от поверхности и на воздухе и, соответственно, к ухудшению наряду с отсутствием кризиса"кийеййя обес- обрабатываемости и повышению деформапечивает достижение скоростей охлаждения ции изделий после окончательной термообповерхности и сердцевины, при которых пол- работки. ностью исключается подкалка йоверхности 10 Охлаждение в высоковязком водном (то есть ниже критической скорости закалки), растворе полимера акрилатного типа до достигается минимальный градиенттемпера- температуры ниже Йачала смачивания полтур и обеспечивается получение однородной имером поверхности Заготовки приводит к феррито-перлитнойструктурызаготовок.Вто . налипанию полимера на поверхность эагоже время скорость охлаждения в предлагае- 15 товки, что требует последующей промывки мых средах выше, чем на воздухе, идостаточ- и увеличивает унос полимера из раствора, на для предотвращения выделения то есть экономически нецелесообразно и карбидной фазы, что способствует улучше- нетехнологично. . нию обрабатываемости и снижению коробления готовых изделий благодаря эффекту 20 ра акрилатного тийа при недостаточной его .

"технологической наследственности". вязкости, например; полиакрилонитрильнохлаждение в высоковязком растворе го сополимера или полиакриламида вязкополимера акрилатного типа до температу- стью меньше 10 сСт, приводит за ч р, е превышающеи нижней границы вы- " перехода в режим пузырькового кипения и деления карбидной фазы, позволяет 25 увеличения теплоотвода к закалке перифепредотвратить выделение карбидов, так как рийных зон заготовки или всей заготовки, придальнейшем охлаждении íà воздухе что делает невозможным йроведение опесделать это невозможно из-за нйзкой ско- рации механической обработки. рости отвода тепла, Охлаждение в водном растворе полимеОхлаждение в полимерной среде до 30 раакрилатноготипа при более высокой вязтемпературы, превышающей начало смачи- кости, например, полиакрилонитрильного вания полимером поверхности загото- сополимера.или полйакриламида вязкостью вок, исключает налипание полимера"на более 60 сСт обеспечивает получение заее поверхность, что способствует умень- данных скоростей охлаждения и заданной шению .уноса полимера, стабилизации 35 структуры, но экономически нецелесообсостава охлаждающей среды и получе- разно.

HpIIo чистой поверхности заготовки,"не Охлаждение в водном растворе полиактре ующей последующей промывки. рилонитрильного сополимера или полиакПолучение устойчивого режима пленоч- риламида при температуре менее 65ОC ного кипения при охлаждении заготовок до- 40 приводит к переходу в режим пузырькового стигается использованием высоковязкого кипения, увеличению скорости охлаждения дкалке периферийных водного раствора полимера акрилатйого ти- и, как следствие, к подкалке пе иф и па, например; полиакрилонитрильного Со- зон заготовки, что отрицательно сказываетполимера или полиакриламида вязкостью ся на обрабатываемости и приводит к повыvga=10...60 сСт при температуре 65 — 98 Q., 45 шенному короблению деталей.

Целесообразность предлагаемых пред- Охлаждение в водном растворе полиакелов изменения технологических парапет- . рилонитрильного сополимера или полиакров поясняется следующим, Охлаждение в риламида при температуре более 98 С условиях, отличных от режима пленочного прйводитк вскипанию охлаждающей среды кипения, не обеспечивает получения задан- 50 и выбросу ее из бака, что делает невозможных скоростей охлаждения и, соответствен- ным ведение процесса охлаждения. но, требуемой структуры заготовок. Так в Способ осуществляют следующим обусловиях пузырькового кипенйя в связи с разом. интенсивным теплоотбором скорость ох- Заготовкидлядеталейтипа вал-шестерлаждения достигает критической и происхо- 55 ни из стали 18ХГН2МФБ диаметром 100 мм дитзакалка периферийныхэон заготовки,а длиной 480 мм нагревали в 2х камерной на заготовках малого сечения — сквозная щелевой газовой печи до 1200 С, а затем закалка. Зто делает невозможным проведе- штамповали. ние последующей механической обработки. Пример 1. После завершения горячей пластической деформации заготовок их ох1781310 лаждали в баке с водным раствором полиакрилонитрильного сополимера (УЗСП вЂ” 1) до температур 400 С, 480 С, 540 С, 600 С, 650 С, выгружали на воздух, а после охлаждения до комнатной температуры проводили средний отпуск при 500 С в течение 2-х часов.

Пример 2, 2а. После завершения горячей пластической деформации заготовки охлаждали на воздухе в контейнере до комнаткой температуры. Затем заготовки повторно нагревали в камерной печи типа

CHO до температурй аустенитйзации и охлаждали в баке с водным раствором полиак рилонитрильного сополимера или полйакриламйда до температур 400 С, 480 С; 540 С, 600 С, 650ОС, выгружали на воздух, а после охлаждения до комнатной температуры проводили средний отпуск при 500 С в течение 2-х часов.

Режимы термйческой обработки и тех нологические параметры среды приведены в табл. 1.

Для сопоставления проводили термическую обработку по известному способу(примеры 3 и 4), режимы и параметры которого приведены в табл. 1.

Микроструктуру "опредйГяли йа микро скопе ММР— 2Р по микрошлифам после травления в 4% спиртовом растворе азотной кислоты. Микротвердость испытывали на прйборе ПМТ-3 при нагрузке 50 r. Полосчатость оценивали в соответствии с ГОСТ

5640-68. Твердость оценивали на твердомерах типа TP и ТБ. Вязкость водного раствора полймера а рилатного типа оценивали при температуре 60 С вискозиметром

ВПЖ вЂ” 4. Наличие в структуре после охлаждения заготовок карбидной фазы оценивали методом микрозондирования с помощью растрового микроскопа.

Обрабатываемость резанйем оценивали пб велйчине йзноса инструмента íà orieрациях сверления и фрезерования, Сверление осуществляли на вертикальносверлильном станке 2Н135 с охлаждением сульфофрезолом; материал сверла — Р6М5, сверло диаметром 25 мм, подача — 0,35 мм!об, скорость резания — 15 м/мин. Оценку обрабатйваемости проводили по времени обработки до достижения"износа сверла — 0,3 мм. В свяЗи со сложностью оценки обрабатываемости непосредственно при фрезеровании, оценку обрабатываемости проводили при точении на токарно-винторезном станке 1М63 с бесступенчатым регулированием скорости резания на режимах, близким к режиму фрезерования: глубина резания — 1 мм, подача — 0,13 мм/об. скорость резания — 20 м/мин, материал резца—

Р6М5. Оценку обрабатываемости проводили по времени обработки до достижения ,износа резца 0,15 мм.

Оценку деформации проводили на шай5 бах с наружным диаметром 80 мм, внутренним диаметром 40 мм, толщиной 5 мм, изготовленных из обработанных по предлагаемому и известному способам заготовок.

Величина деформации определялась по

10 разности размера внутреннего диаметра до нитроцементации и после нитроцементации. Нитроцементацию проводили в условиях термического цеха ПО "ВгТЗ" на безмуфельном агрегате на толщину слоя

15 0,8...1,0 мм.

Данные металлографического анализа, испытания твердости оценки обрабатывае мости и величины деформации приведены в табл. 2.

20 Как видно из табл, 2, опыты 1 — 3 примеров 1, 2, 2а обеспечивают улучшение обрабатываемости резанием по сравнению с известным способом: при сверлении — в 1,5 раза, при фрезеровании — в 2 раза, Дефор25 мация уменьшается на 307;, При этом наблюдается повышение однородности микроструктуры по сечению заготовок и уменьшение разброса значений микротвердости в 3 раза, а также уменьшается в 3 раза

30 разброс твердости заготовок в пределах всей партии.

При нагреве до температуры горячей пластической деформации наблюдается полное растворение всех карбидов, в ре35 зультате, после охлаждения по предлагаемому способу в структуре не обнаружены труднорастворимые карбиды Mo, V., Nb, При нагреве до температур аустенитизации

930-950 С карбиды Nb не растворяются, 40 поэтому наличие в структуре этих карбидов не связано с процессом охлаждения, Предлагаемый способ термической обработки заготовок по сравнению с прототипом имеет следующие технические

45 преимущества; улучшение обрабатываемости в 1,5...2 раза; снижение коробления изделий после окончательной термообработки на 30 ; обеспечение стабильного качества заготовок в пределах партии;

50 расширение технологических возможностей применения полимерных закалочных сред.

Формула изобретения

1. Способ термической обработки заго55 товок из доэвтектоидных легированных карбидообразующими элементами сталей, преимущественно крупных или в больших садках, включающий нагрев до температур аустенитизации, регулируемое охлаждение до заданной температуры, окончательное ох10

1781310

Таблица1

Опыт

Температура окончания ускоренно го охлаждения Р С

Температура ниж" ней границы выделения карбидов в стали

Параметры среды

Охлаждающая среда

Температура аустеииза цин,о C

При. мер!

Температура среды,ОС

Состояние охлаждающей среды

Температура начала смачизания, РС

Вязкость тьО, сСт

{концентрация,2) 1Е ГНгифь

Предлагаемый способ

6СС 10(11) 65

540 35{!5) 80

48С 60(18) 98

То же

480

С температуры конца пластической деформации

Пленочное кипение

То we

Водный раствор УЗСП-1

То же

1 1

3 650 35(15) 80

40С 35(15) 80

540 80 (22) . 45

5

Неустойчивое лленоч" ное кипение,срывы паровой рубашки

«!!

540 6(7) 45

Способ не - (15) 100 осуществлен из-за выброса раствора иэ бака

6СО

Пузырьковое кипение

7 е

Интенсивное вскипание раствора, выброс нз бака

Пленочное кипение 600

Водный раствор УЗСП"1

480

1С(11) 65

2 1

930-950

То we To we

540 35(15)

480 60(18)

650 35(15)

400 35(15)

540 80(22) 8о

3

5

То же

То we

То we

9Е ео

° !

I!»

II»

»а!»

Неустойчивое пленочное кипение, срывы паровой рубашки «!!

lI»

100

Пузырьковое кипение

lI .- lI

540 6(7)

Способ нв -(15) осуществлен из-зь выбор-.и са раствора из бака!

»!!»

«! l» е, ° !!

«I!

Интенсивное вскипание раствора, выброс йз бака

2а 1

ЭЗС-950

Пленочное кипение

480

10(0,4) 65

600

600

Водный раствор полиакриламида

То we.

То же

То же

540 35(0,54) 480 60(0,71)

650 35(0,54)

4СО 35(0,54)

540 8O(O,8) 2

98 ес

8С

То we

Il»

То we

I! и»!!»!!»

«!!»!!»

Неустойчйвое пленочное кипение, срывы паровой рубашки

Ь

48Ñ

600

Водный раствор полиакрипамида

930-950

540 6(0 ° 32) 45

Способ не -(С,54) 100 осуществлен из-за выброса раствора из бака

То же Пузырьковое кипение

То же

° !

То we

«!!»

То же

7 е

Интенсивное вскипание раствора, выброс из бака!

Известный способ

Поток воздуха 630

То we

lo we

Il

10 лаждение на воздухе и отпуск, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью улучшения обрабатываемости резанием и снижения коробления, регулируемое охлаждение осуществляют в водном растворе полимера акрилатного типа с температурой 65 — 98 С и вязкостью

37во =10...60 сСт до температуры, находящейся в интервале между нижней границей выI деления карбидной фазы и температурой начала смачивания полимером поверхности заготовки.

5 2. Способ поп.1,отл и ча ю щи йся тем, что после нагрева до температуры аустенитизации проводят пластическую деформацию.

1781310

Та 8 ли це 2

ПомОпмт

Соемя до заданного критерия износа,иин деформация, Твердость НВ

Рмкроструктура

Присутствие карбидной фазы ачестео поерхности мер

Разброс НЦ микротвердости поверхнос- сер ти нм дцев поверх- сердцености виню

» поверхности сеодцевимы

1 . 62

Сднород. Однород. Чистая.суферрито- Феррито- хая перлитн перлитн

242

Отсут. Отсут .

229-235

229-235

2 64 и и

52

Спеч. Спец. карбиды карбиды

207-223

Феррит Частичное перлит налипание троостит полимера

Отсут, Отсут, 241-268 феррит., перлит, троостит

Отсут. Отсут.

2гц

-oi 067 31ггиФеррит., Налипание пврлит полииера троостит

248-255

2Я

319-2О3

Феррит., перлит, троостит

Щ 222

Ферритб феррит. Сильное перлит, перлит налипание троосто- троостит Полимера маотенсит

286-311

«II» и

Поломка свеола

Однородн. Одмородн.Сухая, чисфеооито- феооито- тая перлитн . перлитн, 60

2 l

Только Только каоби-, карбиды ИЬ Av Nb

229-235

229-235

«и»

°t l

I1 II и

229«235

«tl

Спец ° нарбиды

202-217

209

Ъ"

2»7-297

219

27»-197

Спец. карбиде

0,064

70

5 45

Только карбиды Nb

235-255 феррит, Частичное перлит, иалипание троостит полинера

Только карбиды ЛЬ

Феррит, перлит, троостит

248-255

Феррит, Налипание петлит, полимера троостит

Только карбиды ИЬ

Только карбиды

41

Феррит! перлит! троостит

° 6

Поломка сверла

262-302

° l

286

Пж66

223

3»»7-19!

Сильное налипание полимера

Способ не

222 222

269-252 2692244

2а 1

222-229

I10 -0,048

Однородн. феррито перлитн.

Одиородн.Сухая,чис феррито- тая перлитн, Только карби ды Nb

Только карбиды Nb

119

222

272-252

222

i59-252 и

-0,049

111 -0,055

22

Ъ

27» 260

229

2782269

209

252 166

272 191

71 С,059

Только карбиды

65 -О,С60 ггг

296-215."Б

30»-22

235-248

Феррит, Феррит, перлит! перлит троостит сорбит

Только карбиды

Частичное иалипание и полимера

Попонка сверла

235

319 203

248

331-20» Только карбиды ИЬ

248-255

Только карбиды Nb

Ферритт Феррит! Налипанме перпит . Перлнтб Iloltttttepa троостмт, троостмт

39

-0,070

286

Ъ"

3» 7-197. П26

371-1» и

255-302

Остановка -С,071 смлояой головни

Известный способ

229 22

272-252 215-29

3 9

207-248

Отсут - Спец. стаует карбид!ы

Од нородн. ферритолерлмтная

-0t074 и

235

6-6 2»7-269

222-300

Только карбиды

ЛЪ

217-235

"С,С81

52

Предлагаемым способ г ) сб

115 -С,С52 267-269 276-252

С ° 049 г76-260 Е",Сг68

22о 22с

108 -0,054

278г260 276-252

21ь 20т

75 -0,066 б

263203 2»7-197

2Ы 248

70 -0 С6

319-322 306-гсЗ

Останов- -0,066 ка Силовой головки

Способ ме осуществляется из-за вьброса раствора иэ бака

110 -0,049

272-252

«б

22ц 229

269-252

122 -с,с47 Я вЂ 2 269-246

Чс гтрк

113 -0 054 --оэбб--276-252 287-2 0 б

248 235

65 -С 059

306=215 306-206

40 248

74 -0 065

В

331-203 319-197

Останов- -0,064 ка силовой головки осуществлен из-за выброса раствора иэ бака

Способ не осуществляется иэ-за выброса раствора мэ бака

Разброс твердое" ти в пре. делах парии, НВ

222-229

222-229

207-212 феррнтопеолитн, iiOnOCu6тость

1-2 балл

Ферритоперлитн. полосчатость

1-2 балл

Феррит! перлитт троосто". иартенсит ферритоперлит. полосчатость !

"г балл

Феррит, перлитт троостомартенсит

Феррито- -"перлитн. полосчатость

1 2 балл феррито- -"перлитн. попосчатость

1-2 балл

Ферритоперлит, полосчатость .! 2 балл

Феррит! Сильное перлнт, налипанне троостит погимера

Феррмтоперлитная полосчат.

2-3 балд

Спец. ка рби

" Ntt

Спец. карби-..

1,.!ы