Способ термической обработки высокодемпфирующей стали
METHOD FOR HEAT TREATMENT OF HIGH DAMPING STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а точнее к способам термической обработки высокодемпфирующих сталей с повышенным содержанием алюминия и сплавов высокого демпфирования на основе системы Fe-Al с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7 массовых 20%, и может быть использовано для улучшения вибро- и шумопоглощающих свойств высокодемпфирующих сталей и сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов, в том числе сталей, соответствующих по химическому составу области концентрации легирующих элементов, защищенных патентным документом RU 2721262 МПК С22С 38/52.
Высокодемпфирующие стали являются металлическими материалами, которые обладают одновременно высокими механическими свойствами, присущими сталям и сплавам, и высоким внутренним поглощением энергии упругих колебаний, т.е. демпфирующей способностью, которая является характерным признаком органических материалов, в том числе пластиков и древесины. Высокодемпфирующие стали и сплавы высокого демпфирования используются для борьбы с шумом и вибрацией в различных технических устройствах. Основное различие между сплавом высокого демпфирования и высокодемпфирующей сталью заключается в том, что для изготовления высокодемпфирующих сталей используется, как правило, высокопроизводительное металлургическое оборудование современных металлургических предприятий. Высокодемпфирующее состояние реализуется в высокодемпфирующих сталях определенного химического состава за счет формирования специальной структуры материала, которая достигается в процессе термической обработки этих сталей. Высокий уровень демпфирующей способности в материалах типа "высокодемпфирующая сталь" и "сплав высокого демпфирования" реализуется не только путем достижения определенного химического состава материала, но и путем применения специальной термической обработки.
Известна сталь для поглощения вибрации и метод ее получения. Для достижения высокого уровня демпфирующей способности сталь подвергается горячей прокатке, после чего сразу же подвергается нагреву до температуры от 890°С до 950°С, после чего осуществляется быстрое охлаждение стали до температуры ниже 200°С со скоростью не менее 10°С/с, затем сталь повторно нагревается до температуры не ниже 500°С и не выше 700°С со скоростью от 0,2°С/с до 5°С/с, и после достижения требуемой температуры нагрева сталь выдерживается при этой температуре не менее 5 минут (патент Японии JP 4066908; МПК C21D 8/02; С22С 38/00; С22С 38/06; опубликован 26 марта 2008 года, заявитель - корпорация Sumitomo Metal Ind.).
Недостатком этого способа термической обработки является сравнительно невысокий уровень демпфирующей способности при обработке сталей с повышенным содержанием алюминия, т.к. при термической обработке сталей с повышенной концентрацией алюминия требуется осуществлять нагрев материала до более высоких температур.
Известен высокодемпфирующий сплав на основе железа и способ его производства. Способ производства высокодемпфирующего сплава на основе железа с содержанием алюминия до 5% по массе включает нагрев до температуры не ниже точки Ас3 и не выше 1200°С, горячую прокатку материала с температурой окончания прокатки не ниже чем на 50°С выше точки Ar3 со степенью обжатия 45%, последующий нагрев до температуры не ниже 830°С и осуществление термической обработки в течение не менее 90 минут (заявка на патент Японии JP 2002294408; МПК C22D 8/02; С22С 38/00; С22С 38/34; опубликована 09 октября 2002 года, заявитель - корпорация Nippon Steel Corp.).
Недостатком этого способа термической обработки является то обстоятельство, что скорость охлаждения материала в ходе термической обработки никак не регламентируется. В высокодемпфирующих сталях с повышенным содержанием алюминия реализуется магнитомеханический механизм внутреннего поглощения энергии упругих колебаний, и упругая энергия поглощается в ходе необратимых гистерезисных смещений стенок магнитных доменов, находящихся, преимущественно, в 90-градусной взаимной ориентации (статья Chudakov I.B. et al., On the Formation of High Damping State in Fe-Al and Fe-Cr Alloys, журнал Solid State Phenomena, 2008, Vol. 137, pp. 109-118). Магнитная доменная структура чувствительна к скорости охлаждения материала при термической обработке и при высоких скоростях охлаждения, например в ходе закалки, демпфирующая способность высокодемпфирующих сталей является низкой, как это показано в вышеуказанной статье. Таким образом, в случае высоких скоростей охлаждения материала заявленный способ термической обработки не может быть использован для обеспечения высокого уровня удельной демпфирующей способности высокодемпфирующих сталей с повышенным содержанием алюминия.
Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату к заявляемому изобретению является способ обработки сплава высокого демпфирования, описанный в патенте: "Новый Fe-Al сплав и способ его получения". Для достижения высокого уровня демпфирующей способности сплав, содержащий от 2 до 12 массовых процентов алюминия, подвергается горячей пластической деформации, затем холодной прокатке со степенью обжатия не менее 5%, а после холодной прокатки сплав подвергается отжигу при температуре от 400°С до 1200°С. Согласно описанию изобретения, сплав подвергается холодной прокатке со степенью обжатия более 5%, предпочтительно 20-95%, после чего сплав подвергается отжигу в диапазоне температур от 400°С до 1200°С, предпочтительно от 600°С до 850°С с продолжительностью отжига от 30 минут до 2 часов, после чего Fe-Al сплав охлаждается от температуры отжига до 600°С со скоростью не более 10°С/мин, предпочтительно со скоростью от 1°С/мин до 5°С/мин, а ниже 600°С сплав подвергается естественному охлаждению, либо охлаждению с более низкой скоростью. В качестве варианта для сравнения в описании изобретения приводится термическая обработка Fe-Al сплава, предварительно подвергнутого горячей прокатке, включающая отжиг при температуре 900°С в течение 1 часа с последующим естественным охлаждением образцов с печью, при этом в случае варианта для сравнения холодная прокатка материала не применялась (патент Японии JP 5185613; МПК C21D 9/46; С22С 38/00; С22С 38/06; описание; патент опубликован 17 апреля 2013 года; прототип).
Недостатком этого способа термической обработки является недостаточно высокий уровень удельной демпфирующей способности SDC для высокодемпфирующих сталей с повышенным содержанием алюминия.
Техническим результатом изобретения является увеличение удельной демпфирующей способности высокодемпфирующих сталей и сплавов высокого демпфирования с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7% по массе.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе термической обработки высокодемпфирующих сталей и сплавов высокого демпфирования с содержанием алюминия от 3,0 до 7,7% по массе, включающем нагрев до температуры 970-1060°С, выдержку в течение 0,6-2,0 часов и ступенчатое охлаждение, согласно изобретению, нагрев ведут со скоростью не менее 50°С в час, а охлаждение ведут ступенчато от температуры максимального нагрева до температуры 570°С со скоростью 150°С - 240°С в час, от температуры 570°С до 335°С охлаждение проводят со скоростью 380°С - 460°С в час, а окончательное охлаждение от 335°С до комнатной температуры осуществляют со скоростью 120°С - 360°С в час.
Нагрев материала до высокой температуры в процессе термической обработки, а именно до температуры от 970°С до 1060°С, и выдержка от 0,6 часа до 2,0 часов в ходе термообработки обеспечивают эффективную релаксацию внутренних напряжений в металле, что является необходимым для достижения высокой подвижности границ магнитных доменов и, тем самым, для достижения высокой удельной демпфирующей способности материала. Нагрев материала до температуры менее 970°С не обеспечивает достижение высокого уровня удельной демпфирующей способности. Нагрев материала в ходе термической обработки до температуры выше 1060°С приводит к чрезмерному росту размера зерна, что сопровождается ухудшением демпфирующих свойств материала и ухудшением его механических свойств. Выдержка материала при температуре от 970°С до 1060°С менее 0,6 часа не обеспечивает достижение высокого уровня удельной демпфирующей способности материала, а выдержка в этом диапазоне температур свыше 2,0 часов приводит к ухудшению механических свойств материала.
Охлаждение материала со скоростью от 150°С/час до 240°С/час в интервале температур начиная с 970-1060°С до 570°С обеспечивает формирование в материале оптимальной кристаллической и магнитной доменной структуры, при этом охлаждение с вышеуказанной скоростью в области высоких температур, т.е. от 970-1060°С до температуры Кюри материала (т.е. до ~730°С), обеспечивает уменьшение уровня внутренних напряжений в материале и оптимизирует распределение в нем карбонитридных фаз, а охлаждение с вышеуказанной скоростью от температуры Кюри материала (т.е. от ~730°С) до 570°С обеспечивает формирование специальной магнитной доменной структуры материала, отличающейся повышенной дисперсностью и повышенной объемной долей 90-градусных границ магнитных доменов. При охлаждении в интервале температур от 970-1060°С до 570°С со скоростью свыше 240°С в час или менее 150°С в час удельная демпфирующая способность материала уменьшается.
3
3
Охлаждение сплавов со скоростью от 380°С в час до 460°С в час в интервале температур от 570°С до 335°С обеспечивает формирование тонкой кристаллической структуры материала, отличающейся оптимальной степенью ближнего порядка сверхструктуры типа D0 (FeAl), что обеспечивает достижение оптимального уровня гистерезисных потерь при необратимых смещениях стенок магнитных доменов и, тем самым, достижение максимального уровня удельной демпфирующей способности. Охлаждение сплавов в интервале температур от 570°С до 335°С со скоростью свыше 460°С/час приводит к ухудшению демпфирующей способности материала, а охлаждение в этом интервале температур со скоростью менее 380°С/час приводит к ухудшению пластичности материала благодаря интенсивному развитию процессов упорядочения.
Охлаждение материала в интервале температур от 335°С до комнатной температуры со скоростью от 120°С в час до 360°С в час обеспечивает дополнительную релаксацию внутренних напряжений в материале, при этом увеличение скорости охлаждения свыше 360°С в час приводит к уменьшению его демпфирующей способности, а охлаждение материала со скоростью менее 120°С в час является нецелесообразным с технологической точки зрения.
ПРИМЕР 1. Проводилась термическая обработка высокодемпфирующей стали с повышенным содержанием алюминия, содержащей 5,6% алюминия по массе, 0,065% кремния по массе, 0,008% углерода по массе, дополнительно содержащей легирующие элементы  в суммарном количестве 0,25% по массе. После выплавки сталь подвергалась ковке и горячей прокатке на сортовом стане с изготовлением прутка диаметром 10 мм. После механической обработки (изготовление образцов для испытаний демпфирующей способности) проводили термическую обработку материала в вакууме с выдержкой при температуре 1000°С в течение 1 часа и последующим охлаждением в соответствии с прототипом (описание) и в соответствии с заявленным режимом термической обработки. Удельную демпфирующую способность материала в диапазоне амплитуд колебаний   определяли на автоматизированной установке ЦНИИчермет, собранной по схеме обратного изгибного маятника, на стандартных образцах сложного сечения с многократным уменьшением момента инерции сечения в рабочей области образца. После термической обработки в соответствии с прототипом при температуре 1000°С в течение 1 часа с последующим охлаждением с печью со средней скоростью охлаждения 360°С/час сталь обладала максимальной удельной демпфирующей способностью SDCmax=27%. После термической обработки в соответствии с заявленным режимом при температуре 1000°С в течение 1 часа с последующим ступенчатым охлаждением материала в ходе термообработки (охлаждение от 1000°С до 570°С осуществлялось со скоростью 150°С/час, в диапазоне температур от 570°С до 335°С - со скоростью 460°С/час, от 335°С до комнатной температуры охлаждение проводилось со скоростью 120°С/час) величина максимальной удельной демпфирующей способности материала существенно возросла и достигла значения SDCmax=35%, что подтверждает достижение заявленного технического результата.
ПРИМЕР 2. Проводилась термическая обработка высокодемпфирующей стали с повышенным содержанием алюминия, содержащей 5,6% алюминия по массе, 0,065% кремния по массе, 0,008% углерода по массе, дополнительно содержащей легирующие элементы  в суммарном количестве 0,25% по массе. После выплавки сталь подвергалась ковке и горячей прокатке до толщины листа 3,5 мм с последующей холодной прокаткой до толщины листа 2,1 мм. После вырезки плоских образцов проводили термическую обработку материала в вакууме с выдержкой при температуре 1000°С в течение 1 часа и последующим охлаждением в соответствии с прототипом (описание) и в соответствии с заявленным режимом термической обработки. Удельную демпфирующую способность материала в диапазоне амплитуд колебаний  определяли на автоматизированной установке ЦНИИчермет, собранной по схеме обратного изгибного маятника, на образцах для измерения демпфирующих характеристик листовых материалов. После термической обработки при температуре 1000°С в течение 1 часа с последующим охлаждением с печью (прототип) со средней скоростью охлаждения 360°С/час сталь обладала максимальной удельной демпфирующей способностью SDCmax=29%. После термической обработки в соответствии с заявленным режимом при температуре 1000°С в течение 1 часа с последующим ступенчатым охлаждением материала в ходе термообработки (охлаждение от 1000°С до 570°С осуществлялось со скоростью 240°С/час, в диапазоне температур от 570°С до 335°С - со скоростью 380°С/час, от 335°С до комнатной температуры охлаждение проводилось со скоростью 360°С/час) величина максимальной удельной демпфирующей способности материала существенно возросла и достигла значения SDCmax=39%, что подтверждает достижение заявленного технического результата.