Способ получения упрочненных стальных изделий точных геометрических размеров

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для закалки изделий (прутков) диаметром от 2 мм до 6 мм и длиной до 700 мм из нержавеющих сталей мартенситного класса, в том числе инструментальных с высокой устойчивостью аустенита.

Известен способ получения упрочненных стальных изделий точных геометрических размеров и шахтная печь сопротивления для его реализации (см. патент RU №2375471, C21D 9/40, C21D 1/76, F27B 1/09, F27B 5/04, 10.12.2009 г.), принятый за прототип. Изготовление изделий по способу прототипа заключается в следующем: укладывают симметричные изделия в приспособление с установочными элементами, размещают приспособление с изделиями в емкости для охлаждения, продувают емкость инертным газом при избыточном давлении для создания безокислительной среды, подсоединяют емкость для охлаждения к муфелю с продолжением продувки инертным газом, устанавливают приспособление с изделиями в предварительно нагретое пространство муфеля концентрично его цилиндрической поверхности, причем перемещение изделий, нагрев их до температуры закалки и выдержку производят в среде инертного газа при давлении выше атмосферного, после нагрева ведут ускоренное охлаждение изделий путем перемещения приспособления с изделиями в емкость для охлаждения, при этом процесс охлаждения ведут без отключения или с отключением емкости для охлаждения от муфеля при давлении выше атмосферного, поддерживают во время всего процесса охлаждения в емкости для охлаждения давление выше атмосферного до момента выгрузки приспособления с изделиями из нее, а затем производят выгрузку приспособления с изделиями на воздух при температуре не выше 200°C.

Недостатки прототипа:

- большой процент брака по непрямолинейности изделий малого диаметра, в том числе из-за высокой скорости нагрева и охлаждения;

- отсутствие возможности правки изделий (прутков) в процессе закалки.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения материальных и энергетических затрат в процессе упрочнения за счет снижения брака в числе готовых изделий.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в объемном упрочнении стальных изделий малого диаметра с обеспечением требуемой прямолинейности за счет их правки в процессе закалки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения упрочненных стальных изделий точных геометрических размеров, включающем закалку в безокислительной среде, при которой производят нагрев изделий до температуры закалки, технологическую выдержку в печи с муфелем, предварительно нагретым до технологической температуры, и охлаждение в емкости для охлаждения с разъемным соединением для герметичного подсоединения к открытой нижней части муфеля, в начале процесса изделия устанавливают в приспособление 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 перемещают в нагретое рабочее пространство муфеля и устанавливают концентрично цилиндрической поверхности муфеля, причем перемещение, нагрев и выдержку изделий производят в среде инертного газа при давлении выше атмосферного, после нагрева ведут охлаждение изделий путем перемещения приспособления с изделиями в емкость для охлаждения, при этом процесс охлаждения ведут, не отключая емкость для охлаждения от муфеля при давлении выше атмосферного или отключив ее от муфеля, при этом во время отключения емкости для охлаждения муфеля, а также на протяжении всего процесса охлаждения изделий поддерживают в емкости для охлаждения давление выше атмосферного до момента выгрузки приспособления с изделиями из емкости для охлаждения на воздух, новым является то, что упрочнению закалкой подвергают длинномерные изделия малого диаметра, которые первоначально устанавливают в приспособление вертикально в гнезда - трубки из нержавеющей стали аустенитного класса, жестко закрепленные неразъемным соединением в основании приспособления и имеющие свободу удлинения и расширения при нагреве, обеспечивают зазор между внутренней поверхностью трубки и наружной поверхностью изделий не более 0,5 мм на диаметр, замедленное охлаждение изделий, а по завершении охлаждения приспособление с изделиями выгружают из емкости охлаждения на воздух при температуре не выше 100°C.

Процесс упрочнения изделий из конструкционных нержавеющих и инструментальных сталей с высокой устойчивостью аустенита, а конкретно длинномерных прутков малого диаметра, осуществляют в процессе закалки, то есть при превращении аустенита в мартенсит. В результате этого превращения образуется новая кристаллическая решетка и структура стали, причем удельный объем мартенсита больше удельного объема аустенита. Поэтому процесс упрочнения закалкой всегда сопровождается деформацией изделий, в том числе из-за неравномерного нагрева и охлаждения. Значит, для закалки изделий точных геометрических размеров необходимо создавать особые условия с тем, чтобы обеспечить размеры в пределах установленных допусков. Это требование в первую очередь относится к закалке длинномерных прутков малого диаметра, для которых установлен достаточно жесткий допуск по непрямолинейности. Другими словами, при закалке все участки изделия должны одновременно нагреваться с одной и той же скоростью. Это же правило должно распространяться и на процесс охлаждения. При этих условиях сводятся к минимуму термические и значительно снижаются структурные напряжения, вызываемые мартенситным превращением в прутках, особенно при реализации замедленного охлаждения в интервале γ→α' превращения.

Реализовать эти условия удалось в результате использования печи, представленной в прототипе и доработанного специального приспособления с известными установочными элементами.

Перпендикулярно основанию приспособления приварены к нему трубки из аустенитной стали с необходимой толщиной стенки (d_ст≥⌀_прутка) и внутренним диаметром больше, чем диаметр изделий, подлежащих термической обработке, не более 0,5 мм. Трубки распределены по основанию равномерно и пропущены через отверстия в полках приспособления с зазором, который обеспечивает свободу удлинения и расширения трубок в процессе нагрева. Используют для изготовления приспособления трубки из аустенитной стали, как правило 12Х18Н10Т, которая не испытывает при нагреве и охлаждении фазовые превращения, а с учетом равномерного нагрева и охлаждения, определяемого конструкцией печи, прозрачностью садки и использованием приспособления с установочными элементами, прямолинейность аустенитных трубок будет сохраняться. Естественно, нагрев и охлаждение изделий в аустенитных трубках будет не только равномерным, но и уменьшится скорость охлаждения не менее чем в два раза, что благотворно скажется на сохранении прямолинейности изделий в интервале мартенситного превращения.

Абсолютно важным является тот факт, что при использовании предложенного способа заложена возможность правки изделий в процессе охлаждения в интервале γ→α' превращения.

Перед термической обработкой длинномерные изделия устанавливают в аустенитные трубки приспособления. Если при закалке возникает значительная деформация изделий, то преимущественно в начале мартенситного превращения происходит их правка, в основе которой лежит явление сверхпластичности, кратковременно возникающая в процессе фазового превращения.

Известно, что пластичность стали во время мартенситного превращения возрастает примерно в 20 раз при резком снижении предела текучести. Поэтому в результате термофиксации изделий в трубках обеспечивается их прямолинейность в заданных допусках. К примеру, точка начала мартенситного превращения стали Х12Ф1 М_н=225°C, а окончания М_к ниже 100°C, при этом следует отметить, что пластичность в этом температурном интервале мартенситного превращения увеличивается неравномерно. Максимальный эффект возрастания пластичности имеет место, как правило, в начальный период фазового превращения, поэтому уменьшение скорости охлаждения изделий примерно в два раза за счет использования аустенитных трубок - несомненно положительный факт. По этой же причине выгружать приспособления с изделиями из емкости для охлаждения на воздух при температуре 200°C нежелательно, так как при этой температуре происходит максимально возможный процесс правки изделий в результате термофиксации их в аустенитных трубках.

Следует отметить, что в результате предшествующих операций, при изготовлении изделий до закалки в них могут быть сосредоточены остаточные внутренние напряжения. Поэтому при нагреве под закалку, вследствие релаксации напряжений, изделия также могут деформироваться. В этом случае правка изделий может произойти в результате α→γ превращения, при котором также возникает явление сверхпластичности.

Необходимо также подчеркнуть, что в аустенитных трубках до сварки с основанием приспособления проводят отверстие для захода инертного газа с целью предотвращения окисления поверхности изделий во время закалки.

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

Предлагаемый способ получения упрочненных стальных изделий точных геометрических размеров реализуется следующим образом.

Устанавливают изделия в аустенитные трубки приспособления с установочными элементами, размещают приспособление с изделиями в емкости для охлаждения, продувают емкость инертным газом при избыточном давлении, для создания безокислительной среды, подсоединяют емкость для охлаждения к муфелю с продолжением продувки инертным газом, устанавливают приспособление с изделиями в предварительно нагретое пространство муфеля концентрично его цилиндрической поверхности, причем перемещение приспособления с изделиями, нагрев их до температуры закалки и выдержку производят в среде инертного газа при давлении выше атмосферного, после нагрева ведут охлаждение изделий путем перемещения приспособления в емкость для охлаждения, при этом процесс охлаждения ведут с отключением емкости для охлаждения от муфеля при давлении выше атмосферного, поддерживают во время процесса охлаждения в емкости для охлаждения давление выше атмосферного до момента выгрузки приспособления с изделиями из нее, а затем производят выгрузку приспособления с изделиями на воздух при температуре не выше 100°C.

Пример реализации способа.

Изготовляют прутки диаметром 3,0 мм, длиной 700 мм с заданной непрямолинейностью не более 0,5 мм на указанной длине из конструкционной нержавеющей стали 40Х13 с высокой устойчивостью аустенита, имеющей точку начала мартенситного превращения М_н=270°C. Выбирают приспособление с аустенитными трубками с внутренним диаметром 3,5 мм и толщиной стенки не менее 3 мм. Толщина стенки трубки не может быть меньше диаметра прутка, поскольку она должна обеспечивать жесткую фиксацию изделия во время мартенситного превращения. Вставляют прутки в аустенитные трубки приспособления и загружают его в емкость для охлаждения. Заменяют окислительную атмосферу на инертную в емкости для охлаждения, продувая ее инертным газом при избыточном давлении, в том числе в аустенитных трубках посредством отверстия в них. Подключают емкость для охлаждения к нижней части муфеля печи, продолжая продувку ее инертным газом при давлении выше атмосферного. Перемещают приспособление с прутками в предварительно нагретое до технологической температуры 1020-1040°C рабочее пространство муфеля печи. Нагревают садку и выдерживают ее при технологической температуре, а после выдержки приспособление с прутками вновь перемещают в емкость для охлаждения, причем перемещение садки в камеру нагрева, нагрев, технологическую выдержку и обратное перемещение приспособления с прутками в емкость для охлаждения производят при давлении инертного газа выше атмосферного. Поскольку охлаждение прутков, находящихся в аустенитных трубках замедленное, тем не менее, прутки испытывают полное мартенситное превращение по причине высокой устойчивости аустенита стали 40Х13. Отключают емкость для охлаждения от муфеля печи и производят охлаждение приспособления с прутками в емкости для охлаждения при давлении инертного газа выше атмосферного до температуры 100°C, а затем выгружают приспособление с прутками на воздух.

Таким образом, реализация предложенного способа упрочнения длинномерных изделий малого диаметра закалкой обеспечивает требуемую прямолинейность и качество их поверхностей свободных от окислов.

Способ получения упрочненных стальных изделий точных геометрических размеров, включающий установку изделий в приспособление с установочными элементами, размещение приспособления в емкости для охлаждения, продувку емкости инертным газом при избыточном давлении для создания безокислительной среды, подсоединение емкости к муфелю с продолжением продувки инертным газом, затем приспособление с изделиями устанавливают в предварительно нагретое рабочее пространство муфеля печи концентрично его цилиндрической поверхности, причем перемещение изделий, нагрев их до температуры закалки и выдержку производят в среде инертного газа при давлении выше атмосферного, после нагрева ведут охлаждение изделий путем перемещения приспособления с изделиями в емкость для охлаждения, при этом процесс охлаждения ведут без отключения или с отключением емкости для охлаждения от муфеля при давлении выше атмосферного, поддерживают во время всего процесса охлаждения в емкости для охлаждения давление выше атмосферного, а затем производят выгрузку приспособления с изделиями на воздух, отличающийся тем, что упрочнению закалкой подвергают длинномерные изделия малого диаметра, которые первоначально устанавливают в приспособление вертикально в гнезда, - трубки из нержавеющей стали аустенитного класса, жестко закрепленные неразъемным соединением в основании приспособления и имеющие свободу удлинения и расширения при нагреве, обеспечивают зазор между внутренней поверхностью трубки и наружной поверхностью изделий не более 0,5 мм на диаметр, замедленное охлаждение изделий, а по завершении охлаждения приспособление с изделиями выгружают из емкости охлаждения на воздух при температуре не выше 100°C.