СПОСОБ СМЯГЧАЮЩЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ АУСТЕНИТНО-МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА МАРКИ 07Х16Н6
SOFTENING HEAT TREATMENT METHOD OF PRODUCTS MADE FROM AUSTENITIC-MARTENSITIC STEEL OF 07X16H6 GRADE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных отраслях промышленности при смягчающей промежуточной термической обработке изделий из листового материала стали аустенитно-мартенситного класса марки 07Х16Н6 для снятия напряжений, приводящих к трещинообразованию после деформации и сварки.
Сталь 07Х16Н6 относится к аустенитно-мартенситному классу. После аустенизации при температуре 1000°C и охлаждении в воде или на воздухе структура стали состоит из аустенита и 10-60% мартенсита. Температура начала мартенситного превращения стали для различных видов плавок в пределах химического состава изменяется. Мартенситное превращение реализуется в интервале температур Мн-Мк от 70 до 30°C и зависит от количества углерода в аустените стали и наличия легирующих элементов [1, стр.205].
В настоящее время для снятия наклепа и получения равновесной структуры для наилучшей деформируемости при формообразовании изделий применяют смягчающий отжиг.
При смягчающем отжиге (способе термической обработки) для листового проката стали 07Х16Н6 по ГОСТ 7350-77 производится нагрев детали до 1040°C±10°C, затем охлаждение на воздухе до комнатной температуры (ближайший аналог). Разрыв времени между операцией штамповки и последующей операцией термообработки для исключения появления надрывов и трещин составляет не более 7 часов.
В сварных конструкциях после сварки детали остывают на воздухе при температуре окружающей среды. Разрыв времени между сваркой и последующей термообработкой для исключения трещин составляет не более 20 суток.
Недостатком указанного способа смягчающей термической обработки деталей из стали 07Х16Н6 является образование термических трещин на деталях при штамповке с большой степенью деформации или в околошовной зоне при сварке.
Известно, что при закалке сталей возникают значительные напряжения как макроскопические так и микроскопические, которые обусловлены деформацией, фазовыми и структурными напряжениями [2, стр.349]. Поэтому на многих легированных сталях применяется ступенчатая закалка: т.е. с температуры закалки изделия охлаждают в соляной или масляной ванне, в которой поддерживается температура, немного выше или ниже мартенситной точки (при Т~180…220°C), выдерживают в ней до выравнивания температуры, а затем дают медленно охладиться в мартенситной области до комнатной температуры (закалка в теплой ванне).
В этом случае термические напряжения получаются меньшими благодаря меньшему перепаду температур, чем при прямом охлаждении до комнатной температуры [2, стр.357].
1
Известен смягчающий отжиг для нелегированных сталей: от температуры нагрева до температуры немного ниже A производят быстрое охлаждение изделий, а затем выдерживают их настолько долго, пока не закончится аустенитно-перлитное превращение [2, стр.260].
При анализе имеющейся по данной теме литературы не были найдены рекомендации по снятию термических напряжений и предотвращению образования трещин после термической обработки и сварки деталей из стали 07Х16Н6, прошедших предварительную штамповку.
Стали аустенитно-мартенситного (переходного) класса имеют структуру аустенита и мартенсита, количество которых может меняться в широких пределах. После закалки структура сталей переходного класса в основном аустенитная. Однако этот аустенит неустойчив при охлаждении до отрицательных температур либо при пластической деформации, сравнительно легко превращается в мартенсит.
Проведенным рентгеноструктурным анализом образцов из стали 07Х16Н6 было установлено:
- фазовый состав стали после термообработки на рекомендуемом режиме 1040°C имеет α-фазу (мартенсит) - 60% (Фиг.1);
- фазовый состав стали после термообработки на рекомендуемом режиме 1040°C и пластической деформации ≈30% имеет α-фазу (мартенсит) от 84 до 87,8% (Фиг.2).
Возникновение фазовых напряжений для аустенитно-мартенситных сталей (07Х16Н6) при закалке, когда аустенит превращается в мартенсит, обусловлено тем, что мартенсит имеет значительно больший объем, чем аустенит.
Мартенситное превращение реализуется в интервале температур Мн-Мк и зависит от количества углерода в аустените стали и наличия легирующих элементов. Для стали 07Х16Н6 - это интервал температур от +60°C до -80°C. Твердость стали тем ниже и пластичность тем выше, чем больше остаточного аустенита.
Для устранения напряжений необходимо нагреть изделие до высоких температур, но охлаждение на воздухе приводит к возникновению термических напряжений. Наиболее полное снятие напряжений достигается при проведении отжига (выполнить смягчающую промежуточную термическую обработку) с последующим медленным охлаждением, что нежелательно для стали 07Х16Н6, так как ухудшаются ее механические свойства: увеличивается прочность, уменьшается пластичность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение равновесной структуры с наилучшей деформируемостью, исключение наклепа и трещин, возникающих при изготовлении изделий из жаропрочной стали аустенитно-мартенситного класса марки 07Х16Н6.
Данный технический результат достигается способом смягчающей термической обработки изделий из стали 07Х16Н6, включающим высокотемпературный нагрев изделий и охлаждение на воздухе до 100°C при комнатной температуре. Затем изделие помещают в печь, нагретую выше начала мартенситного превращения до 90°C и изделие охлаждают вместе с печью со скоростью 6-7°C/мин до комнатной температуры.
В связи с тем, что протекание процесса перехода аустенита в мартенсит значительно замедляется в изотермических условиях, а для развития процесса необходимо непрерывное охлаждение, была предложена следующая схема нагрева и охлаждения листовых, формообразуемых деталей:
- рекристаллизационный отжиг для снятия напряжений при 1050°C (в стали 07Х16Н6 при нагреве до 1040°C фазовые превращения отсутствуют, происходит растворение карбидов);
- охлаждение на воздухе до 100°C (в процессе резкого охлаждения карбиды не выделяются, получается однородная структура аустенита, сталь приобретает высокую пластичность и коррозионную стойкость);
- помещение изделия в печь, нагретую до 90°C;
- охлаждение изделия совместно с печью со скоростью 6-7°С/мин до комнатной температуры (для стабилизации аустенита и уменьшения количества мартенсита).
Вышеуказанная схема снятия напряжений применима и в случае использования сварки:
- в процессе сварки околошовная зона нагревается до Т>900°C, в результате чего при охлаждении на воздухе до комнатной температуры возникают фазовые напряжения, приводящие к образованию микротрещин. Если изделие после сварки охладить до 100°C на воздухе, а затем поместить в нагретую до 90°C печь и далее охладить вместе с печью, трещины не образуются.
Для подтверждения технического результата предложения были проведены исследования влияния замедленного охлаждения по заявляемому способу на свойства, макро- и микроструктуру металла. Были изготовлены два образца со сварным швом.
Образец №1:
- глубокая штамповка изделия из листового материала марки 07Х16Н6 толщиной 2 мм;
- термообработка по режимам: нагрев до 1040°C;
- охлаждение на воздухе до 100°C;
- помещение изделия в печь, нагретую до 90°C;
- охлаждение изделия совместно с печью со скоростью 6-7°C/мин до комнатной температуры.
- сварка;
- охлаждение на воздухе до температуры 100°C;
- помещение изделия в печь, нагретую до 90°C;
- охлаждение изделия совместно с печью со скоростью 6-7°C/мин до комнатной температуры.
Образец №2:
- глубокая штамповка изделия из листового материала марки 07Х16Н6 толщиной 2 мм;
- термообработка по режимам: нагрев до 1040°C;
- охлаждение на воздухе до комнатной температуры.
- сварка;
- охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды.
Металлографическим исследованием макроструктуры образцов было установлено, что металл сварного шва образца №2 имеет ярко выраженное столбчатое строение с четкой направленностью отдельных кристаллитов. Металл сварного шва образца №1 имеет однородную структуру.
Сравнительным анализом микроструктуры изготовленных образцов установлено, что:
- микроструктура обоих образцов аустенитно-мартенситная;
- микроструктура образца с обычным охлаждением (№2) более крупнозернистая, чем образца с замедленным охлаждением с ориентацией мартенсита по границам зерен и имеет четкое игольчатое строение;
- микроструктура образца с замедленным охлаждением (№1) более мелкозернистая по сравнению с образцом №2, более однородная.
В околошовной зоне зерна крупнее, по мере удаления от околошовной зоны прослеживается уменьшение величины зерна.
Отличие микроструктуры металла после термообработки по заявленному способу от существующего более наглядно представлено фотографиями.
На фото №1, 2, 3 приведена микроструктура основного материала, сварного шва и околошовной зоны стали 07Х16Н6 после термической обработки (образец №1 - по заявленному способу, образец №2 - с обычным охлаждением по известной технологии ближайшего аналога).
Предлагаемый способ смягчающей термической обработки осуществляется следующим образом.
Детали нагревают до 1040°C, затем ступенчато охлаждают. Сначала быстро охлаждают до 100°C на воздухе при комнатной температуре. Затем детали помещают в печь, нагретую до 90°C. После чего печь отключают и детали остывают вместе с печью до комнатной температуры 20-30°C со скоростью 6-7°C/мин.
При изготовлении изделий способом формообразования и сварки изделие после сварки охладить до 100°C на воздухе, а затем поместить в нагретую до 90°C печь и далее охладить вместе с печью.
Практическое применение указанного способа показало следующее:
- до внедрения вышеуказанного способа замедленного охлаждения процент брака по причине образования трещин после штамповки со значительной степенью деформации, сварки, термообработки на детали из листового материала толщиной стали 07Х16Н6 в производстве составлял 29%;
- после внедрения способа брак по причине образования трещин отсутствует.
Работы по внедрению указанного способа проводились в условиях производства на разных плавках в течение 2-х лет.
Литература
1. Ульянин Е.А. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1991 г.
2. Гудремон Э. Специальные стали. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1959 г., т.1.