Способ термической обработки литых сталей
METHOD OF CAST STEEL HEAT TREATMENT

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано при термической обработке металлоизделий для повышения ударной вязкости и хладостойкости литых деталей из низкоуглеродистых сталей, предназначенных для работы при низких температурах (до -60°С в районах Сибири и Крайнего Севера).
2
2
Известен способ термической обработки литых заготовок из стали 20Л и 20ГЛ [1], включающий нормализацию с температурой аустенитизации 880-970°С и последующий отпуск при температуре 600-650°С. Данный способ позволяет получать твердость в пределах 116-144 НВ и 143-187 НВ, а также ударную вязкость при комнатной температуре не менее 4,0 Дж/см и 5,0 Дж/см на стали 20Л и 20ГЛ соответственно.
Недостаток [1] в том, что этот способ не обеспечивает достаточного уровня вязкости стали при пониженных температурах (до -60°С) и обрабатываемости резанием отливок лезвийным инструментом.
Известен способ термической обработки литых сталей [2], включающий предварительный нагрев в 2 этапа - сначала до температуры 1050-1100°С, а затем до 910-930°C с охлаждением после каждого в воде и далее проводят два циклических нагрева до 820°C с последующим охлаждением на воздухе. Способ направлен на увеличение ударной вязкости и хладостойкости литой стали, что повышает долговечность литых конструкций в условиях Севера.
Недостаток [2] в том, что применение такого способа термической обработки не только повышает себестоимость изготавливаемых изделий, но и не позволяет существенно повысить уровень хладостойкости и вязкости низкоуглеродистой стали типа 20Л и 20ГЛ и не обеспечивает технологичность литой стали при обработке резанием лезвийным инструментом.
3
-60
в
2
Известен способ термической обработки среднеуглеродистой стали [3], включающий нормализацию, отпуск при 655-700°С в течение 120-300 мин с охлаждением на воздухе и повторную нормализацию с температурой нагрева выше Ас на 30-50°С и выдержкой в течение 10-50 мин. Способ позволяет повысить ударную вязкость стали при низких температурах и стабилизировать ее значение на уровне KCU=0,68-0,74 МДж/м при прочности σ=481,3-487,2 МПа.
Недостаток [3] в том, что кроме высоких энергозатрат, длительности теплового воздействия на сталь и высокой трудоемкости обрабатываемых изделий, способ также не способствует полному устранению литого строения стали, характеризуемого сохранением перлитной сетки, что снижает ударную вязкость при низких температурах и ухудшает обрабатываемость отливок лезвийным инструментом.
-60
-60
2
2
Наиболее близким к заявленному техническому решению, прототипом, является способ термической обработки стали 20ГЛ [4], включающий закалку от 920-940°С в воде и отпуск при 620-640°С. Рекомендуемый режим термообработки обеспечивает получение механических свойств стали 20ГЛ на уровне: предел текучести ≥400 МПа, предел прочности ≥550 МПа и ударная вязкость KCV≥2,0 кДж/м и KCU≥3,0 кДж/м.
Недостатком [4] является сохранение в структуре стали остатков литого строения и ликвационных проявлений, которые снижают уровень ударной вязкости стали при пониженной температуре, повышают дисперсию этого показателя свойств и ухудшают обрабатываемость резанием лезвийным инструментом литых деталей.
Целью изобретения являются повышение хладостойкости и улучшение обрабатываемости резанием литых изделий из низкоуглеродистой стали.
3
3
Поставленная цель достигается тем, что согласно известному способу термической обработки [4], включающем закалку в воде с температурой нагрева 920-940°С и отпуск при 620-640°С, в заявляемом способе нагрев ведут ступенчатым образом: сначала до температуры Ас-(10-20°С) с выдержкой составляющей не менее 4/5 от общего времени выдержки, затем до температуры Ас+(30-150°С) с выдержкой не более 1/5 от общего времени выдержки, а после закалки проводят отпуск со ступенчатым понижением температуры от 660 до 600°С по схеме: 660-640-600°C с выдержкой при каждой температуре в течение 90 мин. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображена схема заявляемого способа термической обработки.
Для стальных изделий, предназначенных для работы в районах Сибири и Крайнего Севера, основными свойствами является прочность материала при максимальной эксплуатируемой температуре (обычно при плюс 20°С), пластичность и ударная вязкость при минус 60°С, сопротивляемость хрупкому разрушению, низкая чувствительность к концентраторам напряжений, хорошая свариваемость и обрабатываемость резанием лезвийным и абразивным инструментом. В этом комплексе свойств металлоизделий особая роль отводится хладостойкости стали, т.е. способности стали противостоять разрушениям при низких температурах. Все перечисленные требования весьма актуальны для литых сталей, т.к. такие стали уступают по многим показателям свойств деформированному состоянию сплава.
В формировании свойств металла отливок принимают участие многие факторы, а именно: состав сплава, плотность и однородность структуры; размер зерна и состояние его границ; природа, характер, форма и размеры неметаллических включений и т.д. Следует заметить, что почти все включения в отливках являются концентраторами напряжений. Они ускоряют зарождение и развитие трещин и оказывают существенное влияние на характер разрушения.
Наибольшую чувствительность к чистоте сплава проявляет ударная вязкость. Присутствие микроскопических и субмикроскопических дефектов и избыточных фаз (оксиды, сульфиды, нитриды, и т.д.) оказывает существенное влияние на показатель KCU и KCV и особенно определяемых при отрицательных температурах. Следует заметить, что поры, инородные включения и др. дефекты могут совершенно не влиять на ударную вязкость, если они не находятся в плоскости разрушения образца. Поэтому причиной нестабильности значений стандартных образцов, изготовленных как из одной отливки, так и из отливок одной партии, является неоднородность структурно-фазового состояния в плоскости U- или V-образного надреза. С увеличением количества дефектов и индекса загрязненности стали неметаллическими включениями вероятность их присутствия в плоскости надреза образца повышается, а соответственно увеличивается и дисперсия по ударной вязкости.
Основными путями повышения хладостойкости литых сталей является рафинирование, модифицирование и оптимальное легирование стали, снижение серы, фосфора и примесей цветных металлов и применение прогрессивных способов термической обработки отливок.
Известно, что углерод способствует повышению прочности, но резко снижает вязкость и пластичность стали, способствуя тем самым повышению хладноломкости. Это объясняется появлением в структуре, наряду с ферритом, более хрупкого перлита. Для обеспечения достаточного уровня прочности, хорошей свариваемости и высокой хладостойкости стали при низких температурах целесообразно использовать малоперлитные стали с содержанием углерода от 0,17% до 0,20%.
В отношении легирования стали марганцем в производственных условиях было установлено его влияние на технологические и механические свойства сплава с рекомендацией поддержания этого элемента в стали 20ГЛ на уровне 1,1-1,3%.
Присутствие серы и фосфора, негативно влияющих на хладостойкость стали, ограничено до минимально возможного их содержания (менее 0,02%), которое достигается за счет чистоты используемых исходных материалов и технологий плавки и раскисления.
Об эффективности ввода алюминия на конечной стадии раскисления расплава известно и повсеместно выполняется в литейном производстве. На сегодняшний день особое внимание необходимо уделять модифицирующему действию этого элемента, за счет которого образуются мелкие включения нитридов. Эти соединения располагаются по границам аустенитных зерен и препятствуют их росту при нагреве стали. Кроме того, алюминий изменяет природу и морфологию включений, обеспечивает их мелкодисперсность, сфероидизацию и равномерное распределение и тем самым существенно повышает хладостойкость стали. Наилучший комплекс свойств стали достигается при фактическом содержании в ней алюминия на уровне 0,02-0,05%.
Введение большего количества алюминия приводит к росту зерна при нагреве и получению хрупкого межкристаллитного и слоистого излома в литой стали. Системный анализ стальных отливок по химическим элементам позволил установить фактическое содержание алюминия в стали и выявить в большинстве случаев превышение его по отношению к рекомендуемому пределу (фиг. 2).
Этот результат может свидетельствовать о нерациональном и неэффективном использовании алюминия на этапах раскисления и модифицирования расплава. Добиться желаемого результата удается путем реализации двухэтапного введения раскислителей - сначала в нагретый промежуточный ковш Si-Ca (CK15) и алюминия АВ85 перед заливкой расплава, а затем только алюминия АВ85 на дно разливочного ковша, нагретого до 800-900°C, с последующей заливкой в него металла из промежуточного ковша.
Для стабилизации на высоком уровне значений ударной вязкости металла стальных отливок и особенно при пониженных температурах применение стали повышенной чистоты - условие, необходимое, но все же недостаточное. Известно, что сталям в литом состоянии характерны крупнозернистое строение и структура видманштетт (фиг. 3). Оба этих фактора повышают хрупкость стали. В отдельных случаях в отливках присутствует и перлитная сетка (фиг. 4), которая также снижает ударную вязкость стали из-за ослабления межзеренных связей. Поэтому ГОСТом 21357-87 предусмотрена обязательная термическая обработка отливок из хладостойких сталей, после чего они должны иметь строго определенные показатели механических свойств, в том числе и ударную вязкость при температуре испытания -60°С. После известных способов термической обработки в отливках может наблюдаться неоднородность структуры (фиг. 5), которая объясняется наследственностью ликвационных зон отлитого металла.
Задачей термической обработки изделий является придание стали мелкозернистого строения, а также полное устранение ликвационных проявлений, игольчатости и структурной неоднородности, наследуемых от литого строения сплава. При выполнении этих требований в стали достигается высокий уровень и стабильность значений ударной вязкости, в том числе и при низких температурах.
Практически все отливки подвергаются обработке резанием лезвийным инструментом, поэтому на производстве большое внимание уделяется вопросам стойкости инструмента, чистоте обрабатываемой поверхности, стружкообразованию и другим критериям.
Учитывая структурную наследственность литого строения стали готовыми изделиями после известных способов термической обработки, заявляемый способ термической обработки позволяет устранить данные явления и стабильно формировать мелкозернистое строение в стальных отливках, так необходимое для придания надежности деталям эксплуатируемых в различных климатических условиях, и дополнительно получить благоприятную структуру стали для лезвийной обработки резанием заготовки.
На фиг. 6 приведена таблица, где представлены результаты по структуре, механическим свойствам и обрабатываемости резанием отливок из стали 20ГЛ в зависимости от способов их термической обработки.
Необходимые потребительские свойства литыми изделиями достигаются за счет применения двухступенчатого нагрева с регламентированными выдержками, осуществлением непрерывной закалки из аустенитного состояния и последующего отпуска стальных отливок в интервале температур от 660 до 600°С по схеме 660-640-600°С. Причем при каждой температуре выдержка должна составлять не менее 90 мин. Такое ступенчатое понижение температуры и выдержка в течение указанного времени при каждой температуре способствует полноте диффузионного распада переохлажденного аустенита во всех микрообъемах стали. Увеличение времени выдержки (более 90 мин) при отдельно принятой температуре диффузионного распада аустенита дополнительного эффекта не дает, но увеличивает энергозатраты на обработку отливок.
При времени выдержки менее 90 мин, а также при другой температурной схеме распада аустенита, не исключены случаи неполноты превращения аустенита в феррито-перлитную структуру в отдельных микрообъемах и, как следствие, сохранение вероятности наследования литого строения стали и ухудшение обрабатываемости резанием.
-3
Существенное значение отводится температурно-временному этапу нагрева отливок для выполнения процесса аустенитизации стали. Целью данной операции является достижение полной перекристаллизации стали и сохранение мелкозернистого строения, что обеспечит не только высокую сопротивляемость стали хрупкому разрушению, но и исключит присутствие литого строения в микроструктуре стали. Такая задача решена путем применения двухступенчатого нагрева со строго определенным временем выдержки при каждой температуре. При выборе температуры нагрева базировались на температурах критических точек в стали, для определения которых использовали дилатометр «Formastor-F» фирмы FUJI (Япония) с индукционным нагревом в вакууме (6,6⋅10 Па) специального образца ∅3×10 мм. Скорость нагрева образца составляла 75°С/мин в диапазоне 20-600°С и 12°С/мин в диапазоне 600-900°С при скорости последующего охлаждения 315°С/мин.
3
1
В результате дилатометрических исследований стали 20Л и 20ГЛ установлено, что критическая точка Ас имеет значение 852°С и 831°С соответственно, а температура точки Ac у этих сталей практически была идентичной и составляла 723°С.
Микроструктурные исследования выполнялись на микроскопах "Неофот-21» и «Эпитип-2», твердость определялось на приборе ТШ-2М. Размер зерна в стали определяли по шкале ГОСТ 5639. Испытание на ударную вязкость при -60°С проводили на образцах с V образным надрезом (тип 11) по ГОСТ 9454-60. Обрабатываемость резанием оценивали по величине износа сверл диаметром 22 мм, изготовленных из стали Р9, при просверливании отверстий глубиной 38 мм в отливках ГА 11013-200.01.00-01Л, корпус из стали 20ГЛ.
Заявляемый способ термической обработки литых сталей осуществляют, например, следующим образом.
3
3
После литья в песчано-глинистую форму жидкой стали, кристаллизации сплава и извлечения отливки она загружается на поддон или в специальную корзину и помещается в термический агрегат. В печи аустинизации агрегата осуществляется ступенчатой нагрев отливок: сначала до температуры Ас-(10-20°С) и выдерживают при данной температуре, а затем нагрев продолжают до температуры Ас+(30-150°С) и выдерживают при ней до завершении процесса аустенитизации в стали. В зависимости от геометрических размеров изделий устанавливается общее время нахождения отливок в печи, но с обязательным условием - при первой температуре длительность выдержки должна составлять не менее 4/5 части, а на второй ступени не более 1/5 части общей продолжительности выдержки. После завершения процесса нагрева и выдержки отливки охлаждают в воде. Далее отливки помещают в печь для проведения отпуска, в которой выполняют нагрев и выдержку по схеме 660-640-600°С. При каждой температуре выдержка должна составлять не менее 90 мин. После отпуска отливки охлаждают на воздухе.
За счет осуществления термической обработки по заявленному способу в отливках из стали 20Л и 20ГЛ формируется мелкокозернистая феррито-перлитная структура (зерно 8-9 балл ГОСТ 5639) при полном устранении литого строения и ликвационных проявлений в стали (фиг. 7). Твердость стали находится в пределах 176-180 НВ. Бейнит и другие составляющие с высокой микротвердостью в структуре отсутствуют.
Пример осуществления заявляемого способа. Термическую обработку отливок деталей ГА 11013-200.01.00-01Л, корпус из стали 20ГЛ (фиг. 8), проводили в производственных условиях с использованием камерной печи с газовом обогревом ГВП 12000/11-ИС-ПР. Химический состав стали (мас. %): углерод - 0,19%; Si - 0,51%; Mn - 1,08%; S - 0,019%; Р - 0,013%; Cr - 0,07%; Al - 0,03%.
Температурно-временный режим термической обработки включает в себя:
- нагрев до температуры 815°С, выдержка 360 мин, последующий нагрев до температуры 950°С, выдержка 90 мин;
- охлаждение в воде (температура 24°С);
- отпуск по температурной схеме 660-640-600°C с выдержкой при каждой температуре по 90 мин;
- охлаждения до комнатной температуры на воздухе.
-60
2
После такой обработки (режим №4 в таблице на фиг. 6) на отливках получена структура «перит сорбитообразной + феррит» с твердостью 180НВ, зерно 9 балла и ударная вязкость KCV=513-525 Дж/см. Износ сверла при сверлении 180 отверстий диаметром 22 мм на отливках составила 0,26 мм.
Увеличение времени выдержки при 815°С до 420 мин дополнительного эффекта не дает (режим 5 в таблице на фиг. 6), но увеличивает энергорасход при термообработке.
Увеличение температуры нагрева на первой ступени до 850°С (режим №9), а также увеличение времени выдержки при 950°С (режим №8), как и увеличение температуры до 980°С на второй стадии (режим №10) приводит к росту зерна в стали и, как следствие, к снижению ударной вязкости стали при отрицательной (-60°С) температуре. Проведение отпуска при одной температуре (режим №11) не обеспечивает полноту распада аустенита, что снижает стойкость режущего инструмента.
Приведенные примеры осуществления изобретения показывают его полезность для термической обработки литых сталей. Применение заявляемого способа термической обработки литых сталей способствует повышению хладостойкости и улучшению обрабатываемости резанием литых изделий из низкоуглеродистой стали.
Изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружены средства, которым присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Заявляемый способ имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение можно реализовать в машиностроении и металлургии и может быть использовано при термической обработки металлоизделий для повышения ударной вязкости и хладостойкости литых деталей из низкоуглеродистых сталей, предназначенных для работы при низких температурах (до -60°С в районах Сибири и Крайнего Севера). Это соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.
Использованные источники
1. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. - М.: Металлургия, 1981, с. 224-225, табл. V. 80 и табл. V. 81.
2. Авторское свидетельство №1076468, кл. С21Д 1/78. Способ термической обработки литых сталей / Авт. Овчиникова Л.В., Солнцев Ю.П. и др. Заявка №3323178/22-02 заявл. 20.07.1981; опубл. 28.02.1984, бюл. №98.
3. Патент №2178003, кл. С21Д 1/28 / Авт. Миннеханов Г.Н., Сабуров В.П. и др. Заявка №2000106495/02 заявл. 10.03.2000. Опубл. 10.01.2002.
4. ГОСТ 21357-87 Отливки из хладостойкой и износостойкой стали. Общие технические условия. - М.: Изд-во стандартов, табл. 2.