СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОТИВОФЛОКЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОКОВОК
PROCEDURE FOR THERMAL ANTI-FLOCCULANT TREATMENT OF FORGED PIECES

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии термической противофлокенной обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых и легированных сталей.
Известен способ термической обработки изделий большого сечения, включающий нагрев поковки до температуры 650°С и выдержки при этой температуре в течение 200 часов [1]. Недостатком способа является большая продолжительность ПФО.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ термической противофлокенной обработки поковок для снижения содержания водорода в стали, включающий охлаждение после ковки на воздухе до температуры 250-350°С, нагрев поковок в печи ведут до 660-700°С, выдержку проводят с продолжительностью в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле, а охлаждение поковок осуществляют со скоростью 5-20°С/ч до 240-260°С [2].
Данный способ принят за прототип.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности определить продолжительность выдержки поковок в зависимости от химического состава стали и степени ее легированности.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является оптимизация продолжительности термической обработки поковок с учетом конкретного химического состава стали и степени ее легированности.
Поставленная задача достигается за счет того, что тем, что предлагается способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение поковок на воздухе после ковки до температуры 250…350°С, нагрев поковок в печи до температуры 660…700°С, выдержку с продолжительностью в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле и охлаждения со скоростью 5…20°С/ч до температуры 240…260°С, причем выдержку поковок производят в зависимости от степени легированности стали, при этом продолжительности выдержки определяют по уравнению:
где  - начальная и конечная концентрация водорода в металле поковок, соответственно, %;
R - радиус поковки, см;
К - коэффициент, учитывающий расположение флокенов по сечению поковки,
для средне- и высоколегированных сталей К=1,
для углеродистых и низколегированных К=2/3;
0,186 - теоретический коэффициент;
1
1,596=A - коэффициент для первого члена бесконечного ряда функции Бесселя;
н
2
D - коэффициент диффузии водорода в металле поковок, см/ч, определяемый зависимостью:
c
i
где C, C - концентрация углерода и легирующих элементов, %;
i
i
µ, λ - параметры для расчета влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии водорода (см. табл.);
Т - температура поковок, °С;
-4
2
2,28·10 - коэффициент диффузии водорода в железе при температуре отжига 680°С, см/ч;
n - число компонентов в многокомпонентной системе;
λ=-0,16 - параметр (табл.), отражающий влияние углерода на коэффициент диффузии водорода;
1359=E/R - коэффициент, равный отношению энергии активации Е к универсальной газовой постоянной R.
Уравнение (1) получено [7] при решении дифференциального уравнения диффузии:
для случая бесконечного по длине цилиндра радиусом R и симметричной диффузии в среде с фиксированной и постоянной температурой. Здесь r - радиус точки в поковке, для которой рассчитывается концентрация.
Решение уравнения (3) получено в форме бесконечного ряда. Ограничившись только первым членом, найдем:
0
где  - функция Бесселя нулевого порядка, если рассматривать только центр поковки (r=0), то J(0)=1 и уравнение (4) будет иметь вил:
1
где A=1,596 - коэффициент для первого члена бесконечного ряда.
После подстановок и преобразований получим уравнение (1), физический смысл которого состоит в том, что τ - это время, необходимое для уменьшения концентрации водорода от начального  до некоторого конечного , безопасного в отношении образования флокенов, при этом для средне- и высоколегированных сталей путь диффузии водорода равен радиусу поковки, т.к. флокены в таких сталях располагаются по всему сечению поковки, а для углеродистых и низколегированных - только 2/3R, т.к. именно на этом участке сечения поковки преимущественно располагаются эти дефекты.
Водород удаляется из поковки при ПФО в диффузионном режиме. Скорость диффузии принято характеризовать коэффициентом диффузии D, который зависит от температуры, энергии активации Е и состава сплава.
Разложив функцию
в ряд Тейлора по параметру концентрации С и ограничившись двумя первыми членами ряда, получим уравнение, позволяющее рассчитать коэффициент диффузии водорода в предположении, независимого воздействия каждого i-го компонента в многокомпонентном сплаве [8] чистого железа
и с учетом содержания углерода в железе
где  - по данным [4];
0
-4
D=9,4·10 - предэкспоненциальный множитель в уравнении для коэффициента диффузии [4].
i
i
Параметры для расчета влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии водорода в сплавах железа, данные о коэффициентах λ и µ представлены в таблице 1.
Подставив сумму , отражающую влияние всех легирующих элементов стали, по уравнению (8) можно определить коэффициент диффузии водорода в легированной стали, а затем по уравнению (1) - продолжительность выдержки поковки в печи в зависимости от степени легирования стали.
Таблица 1
Легирующийэлемент
λ
µ
Параметр <img file="00000016.tif" he="10" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
Источник
С
-0,16
-
-0,16
3
Si
0,056
0,0935
<img file="00000017.tif" he="10" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
6
Mn*
-0,013
-
-0,013
3,5
Ni
-0,049
-0,022
<img file="00000018.tif" he="10" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
4
Сr
-0,011
-
-0,011
3
Мо*
-0,02
-
-0,02
5
V*
-0,04
-
-0,04
5
* - оценки сделаны по данным для жидких сплавов.
Примеры осуществления способа
1. В термической печи производится термическая противофлокенная обработка поковки диаметром 500 мм из стали марки 40ХГМН. Исходное содержание водорода 0,00025%. Температура в печи - 680°С (953 К). Конечное содержание водорода в поковке для исключения образования флокенов - 0,00020%. Химический состав стали: 0,4% С; 0,3% Si; 1,0% Cr; 0,6% Mn; 0,2% Мо; 0,15% Ni.
Так как сталь среднелегированная - К=1.
Продолжительность выдержки поковок:
2. При тех же условиях производится термическая противофлокенная обработка поковок из стали 20Г. Химический состав стали: 0,2% С; 0,3% Si; 1,0% Mn. Так как сталь низколегированная, то применяем К=2/3.
Продолжительность выдержки поковок:
Параметры ПФО по предлагаемому и известным способам приведены в табл.2
Предлагаемый способ термической противофлокенной обработки позволяет оптимизировать продолжительность ПФО поковок из стали разной степени легированности, сократить время ПФО, пропорционально этому времени увеличить производительность термических печей и сократить расход топлива на обработку единицы массы продукции.
Таблица 2
Параметры
Способ известный
Способ предлагаемый
Марка стали
Сталь перлитного класса (типа 20Г)
Сталь мартенситного класса (типа (40ХГНМ)
Сталь перлитного класса (типа 20Г)
Сталь мартенситного класса (типа (40ХГНМ)
Температура поковки после ковки, °С
970
970
970
970
Содержание водорода, %
0,00025
0,00025
0,00025
0,00025
Накопление в печи перед ПФО, час
20
20
нет
нет
Охлаждение на воздухе перед ПФО, час
нет
нет
7
7
Температура ПФО, °С
680
680
680
680
Время нагрева до температуры ПФО, час
-
-
5
5
Время выдержки при 680°С, час
100
150
70
105
Время охлаждения в печи, час
2
2
2
2
Общее время термообработки, час
122
172
72
107
Содержание водорода после ПФО, %
0,00020
0,00020
0,00020
0,00020
Источники информации
1. Башнин Ю.А., Цурков В.Н., Коровина В.М. Термическая обработка крупногабаритных изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах. - М.: Металлургия, 1985. - 176 с.
2. Патент РФ №2252268. Бюл. №14, 20.05.2005 г.
3. Швецов Н.И. и др. Коэффициенты диффузии проникновения и растворения водорода в железоникелевых сплавах // Физика металлов и их соединений. Труды УрГУ. - Свердловск, 1974 - Т-1, №3, С.39-43.
4. Гельд П.В. и др. Водород и несовершенство структуры металла. - М.: Металлургия, 1979. - 219 с.
5. Линчевский Б.В. Термодинамика и кинетика взаимодействия газов с жидкими металлами. - М.: Металлургия, 1986. - 222 с.
6. Водородопроникаемость высокотемпературных конструктивных материалов. НИИ ИНФОРМЭНЕРГОМАШ, вып.2. - М., 1985, С.-50.
7. Мирзаев Д.А. и др. К вопросу об удалении водорода при термической обработке крупных поковок // Металлы, 2006, №1, С.44-47.
8. Мирзаев Д.А. и др. Оценка влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии водорода в сплавах железа // Известия вузов. Черная металлургия, 2006, №3, С.3-5.