СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
METHOD OF STEEL COMPLEX HEAT TREATMENT

Изобретение относится к термической обработке доэвтектоидных низколегированных сталей и может быть преимущественно использовано при термической обработке сталей типа 20Г-20ГЛ.
Обычно с целью повышения предела текучести этих сталей вместо нормализации проводят их термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокотемпературного отпуска при 600-630°C [1]. Однако общий уровень прочностных свойств повышается при этом незначительно, а по значениям пластичности и ударной вязкости допускается даже снижение по сравнению с нормализованной сталью.
C3
C1
C3
Известен способ термической обработки конструкционных сталей [2] (преимущественно для трубных изделий), включающий первый нагрев выше A и охлаждение в воде до комнатной температуры, второй нагрев в межкритический интервал температур A-A и охлаждение в воде, высокий отпуск и охлаждение на воздухе. Способ обеспечивает получение высокой ударной вязкости низкоуглеродистых сталей, однако не позволяет существенно повысить уровень прочностных свойств сталей.
C1
C3
Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки низколегированных, сталей, содержащих до 0,35% С, включающий комплекс операций: нагрев до гомогенной аустенитной структуры, охлаждение до межкритического интервала A-A с выдержкой для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры, охлаждение до комнатной температуры со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование трехфазной ферритно-мартенситно-аустенитной микроструктуры [3].
Способ обеспечивает получение микрокомпозиционной структуры стали и ее высокие прочностные свойства. Однако способ не позволяет реализовать возможности более значительного повышения всего уровня механических свойств, в частности, ударной вязкости стали.
Задачей изобретения является создание в стали дисперсной многофазной структуры с нанокомпозитными фрагментами, состоящей из дисперсного полигонизованного феррита, зернистого бейнита (обладающего микро- и нанокомпозиционной субструктурой), зернистого троостосорбита и демпфирующих прослоек остаточного аустенита наноразмерной толщины.
Технический эффект - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств стали (предела текучести, предела прочности, пластичности и ударной вязкости).
c1
c3
Это достигается тем, что способ комплексной термической обработки заготовок из доэвтектоидных низколегированных сталей, содержащих С 0,15-0,25 мас.% и Mn 1,2-1,7 мас.%, включает нагрев заготовки до полной аустенитизации структуры, выдержку в межкритическом интервале A-A для формирования двухфазной аустенитно-ферритной структуры и охлаждение после выдержки со скоростью, обеспечивающей неполное мартенситное превращение аустенита и формирование многофазной микроструктуры, при этом после нагрева заготовки до полной аустенитизации структуры проводят ее охлаждение в печи до температуры выдержки 735-740°C или на воздухе до комнатной температуры с последующим нагревом до температуры выдержки 735-740°C, после чего дополнительно осуществляют высокотемпературный отпуск-старение при 550°C в течение 2-2,5 часов.
Перед нагревом до полной аустенитизации проводят редварительную нормализацию при температуре от 930°C.
Суть изобретения состоит в использовании особенностей химического состава сталей типа 20Г-20ГЛ, связанных с повышенным содержанием сильного элемента-аустенитизатора (марганца), обеспечивающего в процессе комплексной термической обработки значительное диспергирование структуры и ее композиционную гетерогенизацию с формированием наноразмерных фрагментов.
C3
При первом нагреве до температуры (A+50°C) исходное зерно в результате фазовой перекристаллизации измельчается. Дополнительное измельчение обеспечивается и фазовой перекристаллизацией (полной при нормализации или частичной при охлаждении до межкритического интервала температур). При переводе температуры в критический интервал и достаточно длительной выдержке в этом интервале температур аустенитные участки равномерно располагаются в феррите. Марганец при этом избирательно перераспределяется между фазами, резко обогащая и стабилизируя участки аустенита. Феррит в процессе выдержки полигонизируется, сохраняя измельченную структуру. При быстром охлаждении (в воде) в процессе третьей операции в равномерно распределенных участках аустенита происходит частичное мартенситное превращение с сохранением локальных зон стабилизированного аустенита. Последующий отпуск при 550°C приводит к троосто-сорбитному распаду мартенсита и частичному бейнитному превращению остаточного аустенита, который сохраняется в небольших количествах в виде тонких прослоек наноразмерной толщины, обволакивающих дисперсные участки с бейнитно-троосто-сорбитной структурой и выполняющих роль демпфера при нагружении этих участков. Отпуск выполняет еще одну роль, обеспечивая старение части ферритных зерен, пересыщенных марганцем, с формированием в них субструктуры зернистого бейнита. Предварительная обработка стали по п.2 обеспечивает дополнительное измельчение структуры.
Таким образом, в результате предлагаемой комплексной термической обработки в низколегированных марганцевых сталях формируется многофазная композиционная структура с наноразмерными фрагментами. Такая структура обеспечивает значительное повышение всего комплекса механических свойств, включая такие важнейшие из них как предел текучести и ударная вязкость при отрицательных температурах.
Эксперименты проведены на стали 20ГЛ производства Бежицкого сталелитейного завода, содержащей, % масс: 0,22 С, 1,32 Mn, 0,35 Si, 0,07 Cr, 0,12 Ni, 0,10 Cu, 0,02 S и 0,03 P. Термическая обработка проводилась в лабораторной печи на заготовках толщиной 30 мм, вырезанных из стандартных литых трефовидных проб. Использованы 2 режима термической обработки (режимы 1 и 2), соответствующие п.1 формулы изобретения и 1 режим, соответствующий п.2 (режим 3):
1) нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение в печи со скоростью 0,12-0,17 град/с до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 1);
2) нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, нагрев до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 2);
3) нагрев до 930°C, выдержка 20 минут, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, нагрев до 920°C, выдержка 30 минут, охлаждение в печи со скоростью 0,12-0,17 град/с до 740°C, выдержка 2,5 часа, закалка в воде, отпуск-старение при 550°C в течение 2,5 часов, охлаждение в воде (схема режима 3);
Для сопоставления образцы из стали 20ГЛ подвергались термической обработке в соответствии с рекомендацией по ГОСТ 977-88: закалка в воде от 890°C, отпуск 630°C.
Параллельно проведены эксперименты по использованию режима-прототипа применительно к стали 25Л, содержащей 0,9% Mn и 0,35% Si при примерно таком же содержании других примесей, как и в стали 20ГЛ.
Из термообработанных заготовок вырезали образцы для металлографического анализа и механических испытаний.
Исследование структуры сталей проводилось на микроскопе Альтами МЕТ-1М при увеличениях от 100 до 1000 раз. Шлифы подвергались двойному травлению - ниталем и тепловому.
B
0,2
5
-60
Механические испытания проводили на стандартных образцах, определяли предел прочности (временное сопротивление разрыву) σ, предел текучести σ, относительное удлинение δ, относительное сужение Ψ и ударную вязкость KCU (при -60°C).
Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
Сталь
Режим термической обработки
Механические свойства сталей
σ<sub>B</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ<sub>5</sub>
Ψ
KCU<sub>-60</sub>
НВ
МПа
%
Дж/см<sup>2</sup>
1 (рис.1)
630-640
480-500
22-25
43-48
40-44
207-217
20ГЛ
2 (рис.2)
640-660
510-530
22-25
43-47
60-65
207-217
3 (рис.3)
710-730
570-590
20-23
37-40
55-58
217-229
По ГОСТ 977-88
580-600
390-400
15-18
25-30
32-35
197-207
25Л
По способу-прототипу [3]
580-600
400-420
14-16
25-30
20-25
229-241
Видно, что термическая обработка стали 20ГЛ по предлагаемым режимам 1-3 обеспечивает наиболее высокий уровень ее механических свойств. Значительно ниже свойства стали при использовании стандартной термической обработки в соответствии с ГОСТ 977-88.
0,2
Видны также преимущества предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом, используемым применительно к стали 25Л с пониженным содержанием марганца (до 0,9%), хотя в этом случае более высокое содержание углерода и использование режима-прототипа обеспечило повышенные прочностные свойства стали (например, σ=400-420 МПа вместо минимальных значений ~300 МПа по ГОСТ 977-88).
Источники информации
1. ГОСТ 977-88.
2. Патент РФ №2096495, кл. C21D 9/08, C21D 8/10, 1997.
3. Заявка US 02/40126 от 12.12.2002, публикация WO 03/052153 (26.06.2003), публикация заявки в РФ 20.02.2007.