СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДРОБИ
METHOD OF THERMAL TREATMENT OF METALLIC SHOTS

Изобретение относится к литейному производству и металлургии и имеет целью получение металлической дроби повышенного качества, имеющей высокие значения разрушающей нагрузки при испытаниях на сжатие и микротвердость.
Применение металлической дроби весьма широко. По данным работы [1] металлическая дробь различных марок применяется в металлургии и литейном производстве для дробеметной и дробеструйной очистки различных изделий, в том числе отливок, и для поверхностного упрочнения деталей, в сварочном - как гранулированный присадочный материал, в материаловедении - как армирующий композиционный материал для получения высокопрочных изделий методом горячего изостатического прессования, в атомной энергетике - для биологической защиты, в промышленности строительных материалов - для резки и шлифовки камня и.т.д.
Однако наибольшее применение металлическая дробь получила для дробеструйной очистки отливок, поверхностного упрочнения деталей и для буровых работ.
Для литой металлической дроби характерен большой разброс механических свойств и структуры. Так, при исследовании стальной литой дроби диаметром 2,0 мм с содержанием углерода 1,1% было показано, что значения разрушающей нагрузки при испытании на сжатие изменяются от 100 до 400 кг, а значения микротвердости находятся в пределах 450-750 HV [2]. Микроструктура стальной литой дроби может меняться от полностью мартенситной с большим количеством остаточного аустенита до полностью бейнито-троститной, однако всегда оставаясь грубозернистой.
Применение дополнительной термической обработки (закалка и отпуск) (дробь стальная литая улучшенная) существенно улучшает свойства литой дроби и ее структуру. Известны способы термической обработки металлической литой дроби, заключающиеся в нагреве дроби для аустенитизации, закалке в воду или масло и отпуске, причем нагрев под закалку и отпуск осуществлялся в электрических конвективных печах [1, 3].
Способ, описанный в работе [1], взят в качестве прототипа и заключается в нагреве дроби в электрической конвективной печи барабанного типа, закалке в воду или масло и отпуске также в электрической конвективной печи. Время нахождения дроби в печи аустенитизации и печи отпуска зависит от массы дроби, обрабатываемой за один цикл термической обработки, и по данным [1, 3] может меняться от 30-60 мин до 2,0-2,5 ч.
К недостаткам прототипа относится большое время нахождения дроби в печах аустенитизации и, особенно, в печи отпуска и связанное с этим окисление дроби, большие энергозатраты на термическую обработку дроби.
Задачей изобретения является сокращение времени, затрачиваемого на термообработку, и соответственно уменьшение энергозатрат, сокращение технологического цикла термообработки, улучшение качества дроби, уменьшение разброса свойств дроби.
Указанная задача решается тем, что в известном способе термической обработки литой металлической дроби, включающем нагрев дроби до температуры аустенитизации и последующую закалку, нагрев дроби для аустенитизации и закалку осуществляют за один цикл в псевдоожиженном слое, причем применяют изотермическую закалку, температуру которой регулируют в пределах 150…500°С в зависимости от требуемых свойств дроби.
Таким образом, двойная термическая обработка аустенитизация - закалка - отпуск заменяется одинарной термической обработкой аустенитизация - изотермическая закалка. В этом случае достигается значительное сокращение времени нахождения дроби в печи аустенитизации (в 2 и более раза) в зависимости от массы дроби [4]. Это связано с высоким коэффициентом теплообмена в псевдоожиженном слое, в связи с чем скорость нагрева или охлаждения изделий в псевдоожиженном слое значительно больше, чем в газовых конвективных печах. Оптимальную скорость псевдоожижения, при которой коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения, можно приблизительно оценить по формуле [5]
опт
c
r
r
ω=VA/[d(18+5,22√А)],
опт
где ω - оптимальная скорость псевдоожижения;
c
V - вязкость псевдоожиженной среды;
d - диаметр частиц;
r
А - число Архимеда.
Сокращение времени нахождения дроби в печи аустенитизации позволяет также уменьшить обезуглероживание и окисление поверхности дроби. Применение кипящего слоя для изотермической закалки позволяет в широких пределах варьировать структуру и свойства дроби, в зависимости от ее назначения и требуемых физико-механических свойств. При этом псевдоожиженный слой для изотермической закалки имеет неоспоримые преимущества по сравнению с расплавами солей, так как закалка в расплавах солей приводит к выносу соли, к необходимости ее удаления, ухудшает экологию, а также приводит к коррозии металла. Отметим, что в технологическом цикле получения литой металлической дроби имеются данные о применении псевдоожиженного (кипящего) слоя для сушки дроби после распыления жидкого металла струей воды или газа и охлаждения в бассейне с водой [6].
В качестве примера были проведены испытания твердости по Виккерсу двух партий стальной литой дроби с содержанием углерода 0,68-0,7, дополнительно содержащих 0,24% W (У7В) и 0,15% V (У7Ф). Нагрев и охлаждение образцов проводили в однотипных лабораторных установках кипящего слоя с размерами рабочей зоны 0,3×0,6×0,7 м. Псевдоожижение осуществляли продувкой газовоздушной смеси и сжиганием природного газа в слое электрокорунда с частицами 320 мкм. Изотермическая закалка проводилась в слое с частицами 120 мкм.
После аустенитизации при 860°С образцы подвергали изотермической закалке в псевдоожиженном слое в течение 30 мин при различных температурах.
Значения твердости (HV) по Виккерсу после изотермической закалки в псевдоожиженном слое приведены в таблице. На каждый режим изотермической закалки брали по 20 образцов.
Таблица
Марка стали
Микротвердость HV при различных температурах изотермической закалки
250°С
275°С
300°С
325°С
У7В
-
587-605
502-534
334-327
У7Ф
551-606
534-598
484-587
285-320
Структура всех образцов дроби, прошедших изотермическую закалку, представляла собой тонкопластинчатую феррито-карбидную смесь.
Источники информации
1. Затуловский С.С., Мудрук Л.А. Получение и применение металлической дроби. М., Металлургия. 1988, 183 с. (прототип).
2. Грачев С.В., Мальцева Л.А., Жуйков О.В., Гвоздовский В.П., Шляпников С.Н., Емельянов А.Ф. Получение и свойства стальной литой дроби высокой прочности. Известия вузов, Нефть и газ, №1, 2006, с.93-97.
3. Ефимов Д.Т., Фролов Н.Г. Металлическая дробь и песок. М., Машгиз, 1963, с.144.
4. Заваров А.С., Баскаков А.П., Грачев СВ. Термическая обработка в кипящем слое. М., Металлургия, 1981, с.84.
5. Тодес О.М., Бондарева А.И. В кн. Тепломассоперенос, т.V.М., Энергия, 1965, с.45-54.
6. Авторское свидетельство SU 1034838, кл. 5 В22F 9/06, 1983.