СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF METAL STRUCTURE ALLOY THERMAL TREATMENT

Группа изобретений относится к металлургии и, в частности, к термической обработке изделий из сплавов на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе и направлена на получение сплавов с заданным структурным состоянием и с требуемыми свойствами.
Известен способ термической обработки изделий из сталей, в частности, сортового проката, обеспечивающий формирование в прутках проката из конструкционных легированных сталей с длительным периодом перлитного превращения или не имеющих его двухслойной структуры: феррито-перлитной с низкой твердостью в поверхностном слое и сорбитной с более высокой твердостью в центральном слое. Это позволяет производить последующую холодную механическую обработку прутков резанием.
н
Для получения указанного результата в способе термической обработки сортового проката, заключающемся в ускоренном охлаждении от температуры конца деформации, изотермической выдержке при 600-700°C, продолжительностью не более 3 ч и последующем охлаждении, ускоренное охлаждение ведут до достижения поверхностным слоем температуры ниже точки М на глубине 5-10 мм (RU 2044779 [1]).
Недостатком известного способа является его малая производительность, обусловленная большими затратами времени на проведение операций, позволяющих обеспечить формирование требуемого структурного состояния.
н
В результате ускоренного охлаждения поверхностного слоя глубиной 5-10 мм ниже температуры М на поверхности прутка образуется структура мартенсита. При последующем нагреве и выдержке при 600-700°С мартенсит значительно быстрее распадается на феррито-перлитную смесь, чем прямое превращение аустенита по всему объему прутка. Таким образом, в прутке формируется двухслойная структура: поверхность феррито-перлитная с низкой твердостью и сорбитная в центральном слое с более высокой твердостью. При этом сохраняется относительно большая (до 3 ч) продолжительность изотермической выдержки.
Известен способ термической обработки изделий из сплава на основе железа, в частности горячекатаных ходовых и железнодорожных рельсов с профильными частями различной массы, включающий этапы предварительного и окончательного охлаждения после прокатного нагрева профильных частей различной массы с образованием желаемой структуры с повышенной прочностью в профильных частях рельса, в частности в головке рельса. Предварительное охлаждение рельса после прокатного нагрева ведут до температуры сердцевины головки рельса, составляющей 750-850°C для предотвращения промежуточного переохлаждения поверхностной зоны головки рельса и местного преждевременного фазового превращения, затем проводят этап нагрева поверхностной зоны головки рельса, по меньшей мере, до температуры сердцевины и проводят окончательное охлаждение рельса с настолько высокой плотностью теплового потока, что для центральной зоны головки рельса достигается по возможности короткое время охлаждения в зоне фазового превращения от 800 до 500°С. При этом окончательное охлаждение головки рельса в зоне фазового превращения ведут настолько быстро, что образуется желаемая тонкопластинчатая перлитная структура и исключается охлаждение поверхностной зоны ниже температуры образования бейнита (RU 2272080 [2]) Недостатком известного способа является длительность процесса термической обработки, приводящей к получению изделий из стали с заданным конечным структурным состоянием, и ограниченность номенклатуры (сортамента) получаемых сталей с требуемыми (заданными) свойствами.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известный способ термической обработки изделий из стали с получением заданной конечной мелкопластинчатой перлитной или феррит/перлитной структурой (RU 2266966 [3]). Известный способ предполагает нагрев заготовки, в частности прокатанного стального профиля в виде рельса, до температур около 850°С и дальнейшее ее охлаждение отдельными импульсами, обеспечивающими получение перлитной или феррит/перлитной структуры без возникновения закалочных структур (в частности, бейнита). Для этого заготовку или готовое изделие пропускают через участок охлаждения, который состоит из отдельных, независимых последовательно расположенных вдоль длины участка охлаждения охлаждающих модулей, что по сути эквивалентно импульсному охлаждению с независимо регулируемыми параметрами охлаждения, причем между охлаждающими модулями имеются промежуточные области для снятия структурных напряжений со средствами для определения действительной температуры изделия в этих промежуточных областях, и при этом, в зависимости от соответствующего значения действительной температуры детали в промежуточной области, регулируют параметры охлаждения, особенно интенсивность охлаждения, по меньшей мере, соответственно следующего охлаждающего модуля для обеспечения заданной температуры детали во время всего прохождения участка охлаждения, причем заданную температуру детали соответственно поддерживают выше критической температуры, при которой образуются бейнитные структурные составляющие. При этом в паузах между этапами (импульсами) процесса охлаждения для снятия структурных напряжений применяют временные фазы повторного нагрева и/или термической выдержки и/или временные фазы медленного охлаждения.
Недостатком известного способа является длительность процесса термической обработки, приводящей к получению стали с заданным структурным состоянием, и ограниченность номенклатуры (сортамента) получаемых сталей с требуемыми (заданными) свойствами.
Заявляемые в качестве изобретений способы направлены на сокращение сроков осуществления технологических процессов, обеспечивающих получение изделий из сплавов на основе железа с заданными структурными состояниями, а значит, с требуемыми в каждом конкретном случае физико-механическими и качественными характеристиками.
Указанный результат достигается тем, что первый способ термической обработки изделий из сплавов на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе включает нагрев, обеспечивающий формирование аустенита и последующее охлаждение по режимам, обеспечивающим формирование заданного структурного состояния, при этом охлаждение осуществляют по режимам, обеспечивающим наличие областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, с последующим получением в них маринита, а заданное структурное состояние формируют с получением в нем перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур.
Указанный результат достигается также тем, что охлаждение осуществляют по режимам, обеспечивающим формирование заданной доли областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, с последующим получением в них заданной доли маринита.
Указанный результат достигается также тем, что режимы, обеспечивающие формирование заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, определяют расчетно или экспериментально.
Указанный результат достигается также тем, что заданное структурное состояние формируют с получением в нем заданных долей перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур.
Указанный результат достигается также тем, что при расчетном определении режимов, обеспечивающих получение маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, задают температурный интервал реализации маринита, удовлетворяющий условиям
,
где  - температура локального ферромагнитного упорядочения в аустените вблизи атома углерода, определяемая методом квантово-механического расчета,
TEX
T - температура, выбираемая с учетом технологических ограничений,
и выбирают скорость охлаждения, при которой зависимость температуры охлаждения от времени Т(t) удовлетворяет условию Т(t)<Θ(t), где зависимость Θ(t) определена линиями начала перлитного и бейнитного превращений на термокинетической диаграмме.
Указанный результат достигается также тем, что при экспериментальном определении режимов, обеспечивающих получение маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, проводят закалку образцов от фиксированных температур при различном времени выдержки при них, а факт существования маринита устанавливают по наличию в закаленном образце рутита.
Указанный результат достигается также тем, что наличие рутита устанавливают дифракционными методами.
Указанный результат достигается также тем, что определение режима охлаждения от реализованного маринита, приводящего к образованию заданного количества перлита в заданном структурном состоянии, осуществляют, проводя закалку экспериментальных образцов и последующее определение их структурного состояния.
Указанный результат достигается также тем, что определение режима охлаждения от реализованного маринита, приводящего к образованию заданного структурного состояния, осуществляют измерением температуры в выбранных точках объема модельного образца сплава простой формы при охлаждении со скоростями, приводящими к получению требуемого структурного состояния в образце из сплава, определением значений термокинетических констант, обеспечивающих при известных тепловых потоках на поверхности образца совпадение зависимостей температуры от времени, полученной в ходе модельного эксперимента и в результате решения системы уравнений, включающей в себя уравнение теплопроводности
,
-1
3
2
3
i
i
где оператор  имеет размерность м, r - радиус-вектор точки, в которой производятся вычисления, ρ - плотность, измеряемая в кг/м, q - удельная энтальпия образования i-й фазы, измеряемая в Дж/кг, f(r, t, T) - безразмерная массовая доля фазы i в окрестности точки r в момент времени t при температуре Т,  - поток тепла, измеряемый в Дж/(м·с), Н(r, t, T) - распределение энтальпии, измеряемой в Дж/м, по объему образца,
уравнение сохранения энергии
где  - удельная теплоемкость фазы i при постоянном давлении от температуры, измеряемая в Дж/(кг·К), и кинетическое уравнение
ik
k
i
где M(T, f(τ), (t-τ)) - функциональная зависимость, определяющая скорость изменения со временем t массовой доли f фазы i, определяемая для каждого фазового превращения, и проведением с использованием указанных уравнений и найденных термокинетических констант расчета зависимости потока тепла от времени по поверхности изделия из сплава, обеспечивающей траекторию изменения температуры во времени, приводящую к формированию заданного структурного состояния.
Указанный результат достигается также тем, что после реализации маринита охлаждение осуществляют по режимам, приводящим к формированию задаваемых долей фаз феррита и карбидов железа в заданном структурном состоянии без образования закалочных структур или с образованием их в долях, не превышающих заданные.
Указанный результат достигается также тем, что после формирования заданной доли перлита охлаждение изделий из сплава осуществляют со скоростями, достаточными для подавления диффузионных превращений.
Указанный результат достигается также тем, что охлаждение осуществляют импульсно.
Указанный результат достигается также тем, что охлаждение осуществляют импульсами, которые чередуют с паузами с длительностями, выбранными достаточными для задаваемого снижения разности между максимальными и минимальными значениями температуры по сечению изделий из сплава.
Указанный результат достигается также тем, что длительность каждого из импульсов охлаждения выбирают так, чтобы они не приводили к образованию закалочных структур в заданном структурном состоянии.
Указанный результат достигается также тем, что охлаждение осуществляют импульсно, при этом один из импульсов охлаждения выбирают обеспечивающим максимальное снижение температуры поверхности изделий из сплава без образования закалочных структур в заданном структурном состоянии.
Указанный результат достигается также тем, что после формирования в сплаве заданной доли аустенита, достаточной для получения в заданном структурном состоянии заданных долей перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур, снижение температуры, требуемое для реализации маринита, осуществляют импульсами охлаждения.
Указанный результат достигается также тем, что после достижения долей фаз феррита и карбидов железа, обеспечивающих в дальнейшем получение заданного структурного состояния, импульсное охлаждение прекращают и переходят к монотонному охлаждению и/или изотермической выдержке.
Указанный результат достигается также тем, что после нагрева изделий из сплава до температур, обеспечивающих формирование в сплаве заданной доли аустенита, изделия из сплава подвергают пластической деформации.
Kфер
Kфер
Указанный результат достигается также тем, что пластическую деформацию изделий из сплава осуществляют или завершают при температурах t±50°C, где t - температура Кюри феррита, °C.
Указанный результат достигается также тем, что в процессе реализации маринита на изделия из сплава воздействуют постоянным или импульсным магнитным полем.
Указанный результат достигается также тем, что для охлаждения используют воду или водосодержащие среды.
Указанный результат достигается тем, что второй способ термической обработки изделий из сплавов на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе включает нагрев и последующее охлаждение по режимам, обеспечивающим формирование заданного структурного состояния, при этом нагрев осуществляют по режимам, обеспечивающим формирование маринита, а заданное структурное состояние формируют с получением в нем перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур.
Указанный результат достигается также тем, что нагрев осуществляют по режимам, обеспечивающим формирование заданной доли маринита.
Указанный результат достигается также тем, что режимы, обеспечивающие формирование заданной доли маринита, определяют расчетно или экспериментально.
Указанный результат достигается также тем, что заданное структурное состояние формируют с получением в нем заданных долей перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур.
Указанный результат достигается также тем, что при расчетном определении режимов, обеспечивающих реализацию маринита, задают диапазон температур нагрева, удовлетворяющий условиям
,
где  - температура локального ферромагнитного упорядочения в аустените вблизи атома углерода, определяемая методом квантово-механического расчета,
X
T - эвтектоидная температура для сплава соответствующего химического состава,
C
и время выдержки t в секундах, необходимое для растворения заданной доли цементита f, определяемое из уравнения
C
C0
n
f=1,05fехр(-kt),
C0
-n
где f - безразмерная доля цементита в начальный момент времени, 4>n>3 - степенной показатель, k - параметр, определяющий скорость растворения цементита в сплаве соответствующего химического состава при температуре Т в с.
Указанный результат достигается также тем, что при экспериментальном определении режимов реализации в сплаве маринита проводят закалку образцов от фиксированных температур при различном времени выдержки при них, а факт существования маринита устанавливают по наличию в закаленном образце рутита.
Указанный результат достигается также тем, что наличие рутита устанавливают дифракционными методами.
Указанный результат достигается также тем, что определение режима охлаждения от реализованного маринита, приводящего к образованию заданного количества перлита в заданном структурном состоянии, осуществляют, проводя закалку экспериментальных образцов и последующее определение их структурного состояния.
Указанный результат достигается также тем, что определение режима охлаждения от реализованного маринита, приводящего к образованию заданного структурного состояния, осуществляют измерением температуры в выбранных точках объема модельного образца сплава простой формы при охлаждении со скоростями, приводящими к получению требуемого структурного состояния в образце из сплава, определением значений термокинетических констант, обеспечивающих при известных тепловых потоках на поверхности образца совпадение зависимостей температуры от времени, полученной в ходе модельного эксперимента и в результате решения системы уравнений, включающей в себя уравнение теплопроводности
-1
3
2
3
i
i
где оператор  имеет размерность м, r - радиус-вектор точки, в которой производятся вычисления, ρ - плотность, измеряемая в кг/м, q - удельная энтальпия образования i-й фазы, измеряемая в Дж/кг, f(r, t, T) - безразмерная массовая доля фазы i в окрестности точки r в момент времени t при температуре T,  - поток тепла, измеряемый в Дж/(м·с), Н(r, t, T) - распределение энтальпии, измеряемой в Дж/м, по объему образца,
уравнение сохранения энергии
где  - удельная теплоемкость фазы i при постоянном давлении от температуры, измеряемая в Дж/(кг·К) и кинетическое уравнение
ik
k
i
где M(T, f(τ), (t-τ)) - функциональная зависимость, определяющая скорость изменения со временем t массовой доли f фазы i, определяемая для каждого фазового превращения, и проведением с использованием указанных уравнений и найденных термокинетических констант расчета зависимости потока тепла от времени по поверхности изделия из сплава, обеспечивающей траекторию изменения температуры во времени, приводящую к формированию заданного структурного состояния.
Указанный результат достигается также тем, что после реализации маринита охлаждение осуществляют по режимам, приводящим к формированию задаваемых долей фаз феррита и карбидов железа в заданном структурном состоянии без образования закалочных структур или с образованием их в долях, не превышающих заданные.
Указанный результат достигается также тем, что после формирования заданной доли перлита охлаждение изделий из сплава осуществляют со скоростями, достаточными для подавления диффузионных превращений.
Указанный результат достигается также тем, что охлаждение осуществляют импульсно.
Указанный результат достигается также тем, что охлаждение осуществляют импульсами, которые чередуют с паузами с длительностями, выбранными достаточными для задаваемого снижения разности между максимальными и минимальными значениями температуры по сечению изделий из сплава.
Указанный результат достигается также тем, что длительность каждого из импульсов охлаждения выбирают так, чтобы они не приводили к образованию закалочных структур в заданном структурном состоянии.
Указанный результат достигается также тем, что охлаждение осуществляют импульсно, при этом один из импульсов охлаждения выбирают обеспечивающим максимальное снижение температуры поверхности изделия из сплава без образования закалочных структур в заданном структурном состоянии.
Указанный результат достигается также тем, что после достижения долей фаз феррита и карбидов железа, обеспечивающих в дальнейшем получение заданного структурного состояния, импульсное охлаждение прекращают и переходят к монотонному охлаждению и/или изотермической выдержке.
Указанный результат достигается также тем, что изделия из сплава при нагреве до или в процессе реализации маринита подвергают пластической деформации.
Указанный результат достигается также тем, что изделия из сплава после реализации маринита подвергают пластической деформации.
Kфер
Kфер
Указанный результат достигается также тем, что пластическую деформацию изделий из сплава осуществляют или завершают при температурах t±50°C, где t - температура Кюри феррита, °C.
Указанный результат достигается также тем, что для охлаждения используют воду или водосодержащие среды.
В тексте данной заявки используются следующие термины.
Структурное состояние - совокупность формирующихся в результате термической или термомеханической обработки структурных элементов, характеризуемых фазовым составом, морфологией и размерами.
Фаза - термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по своим физическим свойствам от других равновесных состояний того же вещества.
Аустенит - твердый раствор углерода в ГЦК железе.
Феррит - твердый раствор углерода в ОЦК железе.
3
x
Цементит - карбид железа FeC, где 0,75≤x≤1, с ромбической элементарной ячейкой.
Перлит - структурная составляющая железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз - феррита и цементита.
Пластинчатый перлит - перлит, в котором феррит и цементит имеют преимущественно пластинчатую форму.
Зернистый перлит - перлит, в котором цементит имеет преимущественно форму, близкую к сферической.
Сорбит - дисперсный перлит.
Время сорбитизации - интервал времени от момента начала появления сорбита до момента завершения формирования сорбитной структуры по сечению заготовки (изделия).
Троостит - высокодисперсный перлит.
Бейнит (верхний, нижний) - закалочная структура, формирующаяся при переохлаждении аустенита в температурный интервал, ограниченный температурами начала бейнитного превращения и начала мартенситного превращения.
Мартенсит - закалочная структура, образующаяся сдвиговым путем из аустенита и представляющая собой твердый раствор углерода в ОЦТ железе.
Ледебурит - структурная составляющая, образующаяся в результате эвтектической реакции, при которой железоуглеродистый расплав затвердевает с образованием аустенита и цементита, и при дальнейшем охлаждении аустенит превращается в перлит.
Маринит - структурное состояние сплава на основе железа и углерода, характеризующееся наличием в матрице ГЦК железа обогащенных углеродом областей квазистатических атомных смещений, переводящих ГЦК в ГЦТ решетку с ближним ферромагнитным порядком, и обедненных углеродом областей.
Рутит - структурное состояние сплава на основе железа и углерода, формирующееся при быстром охлаждении (закалке) маринита.
Квазистатические смещения - коррелированные смещения атомов из их равновесных положений в кристаллической решетке, сохраняющиеся в течение времени, значительно превышающего период тепловых колебаний.
Температура Кюри феррита - температура перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние при нагреве; при этой температуре феррит теряет спонтанную намагниченность.
Закалка (быстрое охлаждение) - охлаждение со скоростью, достаточной для подавления диффузионных превращений.
Закаленный образец - образец, подвергнутый закалке.
Закалочные структуры - структуры, формирующиеся в результате закалки.
Диффузионное превращение - превращение одной фазы в другую в результате перемещения атомов путем диффузии.
Сдвиговое превращение - превращение одной фазы в другую путем кооперативного смещения атомов, сопровождающегося деформацией кристаллической решетки.
Импульс охлаждения - теплофизический процесс, развивающийся в результате кратковременного воздействия охлаждающей средой на заготовку.
Остаточный аустенит - аустенит, сохранившийся в структуре, после охлаждения до комнатной температуры.
Ближний магнитный порядок - упорядоченность во взаимном расположении магнитных моментов, повторяющаяся на расстояниях, соизмеримых с межатомными.
Ближний порядок расположения атомов - упорядоченность во взаимном расположении атомов, повторяющаяся на расстояниях, соизмеримых с межатомными.
Заявляемая группа способов термической обработки изделий из сплавов на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе, обеспечивающая получение в них заданного структурного состояния, основана на общем принципе - обеспечение условий формирования структурного состояния, названного авторами «МАРИНИТОМ», характеризующегося наличием в матрице ГЦК железа обогащенных углеродом областей квазистатических атомных смещений, переводящих ГЦК в ГЦТ решетку с ближним ферромагнитным порядком, и обедненных углеродом областей, путем изменения температуры (повышения или снижения) и последующее охлаждение с достижением заданного структурного состояния сплава.
Отличаются способы друг от друга условиями формирования маринита. В первом случае маринит реализуется при охлаждении предварительно сформированного аустенита, во втором случае - при нагреве смеси фаз феррита и карбидов железа.
Факт наличия такого особого структурного состояния подтверждается целым рядом экспериментальных данных, полученных авторами.
Для выяснения условий формирования маринита были проведены исследования структурно-зависимых физических свойств.
C
1
Одним из таких свойств является температурная зависимость магнитной восприимчивости χ(T), исследование которой было проведено в Институте физики металлов (г.Екатеринбург) на магнитометре с высокотемпературной приставкой. Чтобы обеспечить достаточно высокую чувствительность и низкий уровень шума, измерения проводились в слабом переменном магнитном поле (напряженность 10 Э, частота 80 Гц). Температура изменялась со скоростями 6-12 град/мин. Результаты для эвтектоидной стали представлены на фиг.1. Магнитная восприимчивость χ(Т) демонстрирует быстрое падение при нагреве, которое начинается при температуре ~740°C и заканчивается при достижении температуры Кюри α-Fe (T=778°C). В то же время последующее снижение температуры с 850°С до значения Т~700°C сопровождается медленным повышением χ(T), которое сменяется резким подъемом при 700°С, когда в структуре появляется α-Fe. Повышение χ(Т) при охлаждении до Т>700°С указывает на наличие в ней дисперсных частиц магнитной фазы или областей ближнего магнитного порядка. Таким образом, поведение магнитной восприимчивости χ(Т) свидетельствует о формировании гетерогенного состояния в некотором интервале температур ниже точки Кюри α-Fe, но выше температуры α-γ превращения A.
Также в Институте физики металлов (г.Екатеринбург) были выполнены измерения температурной зависимости коэффициента теплового расширения α(Т) для стали эвтектоидного состава на высокочувствительном дилатометре в широком интервале температур при нагреве и охлаждении со скоростью 3 град/мин. Необычной особенностью полученной зависимости α(Т) является понижение коэффициента теплового расширения при нагреве, начиная с температур Т>500°C и резкое падение α(Т) выше точки α-γ перехода в интервале температур 740-850°C (фиг.2). При охлаждении в интервале температур 800-690°C наблюдается слабое изменение коэффициента теплового расширения с температурой. В точке γ-α перехода величина α(Т) испытывает скачок и при дальнейшем понижении температуры наблюдается обычное поведение α(Т), при котором dα/dT>0.
Как известно, нормальным поведением однородной системы является слабое возрастание коэффициента теплового расширения с температурой, dα/dT>0 [4]. Согласно представлениям, изложенным в [5], наблюдаемое в интервале температур Т=690-800°C слабое изменение α(T) указывает на существование гетерогенного состояния, представляющего собой ансамбль дисперсных частиц (или кластеров), которые имеют удельный объем, меньший, чем матрица. В результате тепловое расширение определяется не только решеточными ангармонизмами, а зависит, главным образом, от изменения относительной доли кластеров. При нагреве аномалия на зависимости α(T) выражена значительно сильнее (фиг.2). Этот результат указывает на то, что в формировании указанного состояния существенную роль играют кинетические факторы. В частности, быстрое падение α(Т) при нагреве может быть обусловлено продолжающимся растворением карбидных частиц, в то время как слабое изменение α(Т) при охлаждении - формированием углеродных неоднородностей с характерным размером 10-100 нм.
1
C
Таким образом, как поведение магнитной восприимчивости, так и данные по тепловому расширению свидетельствуют о существовании особого структурного состояния, реализующегося в условиях, близких к равновесным, в интервале температур А<Т<Т.
Для того чтобы выяснить, как изменяется структура стали при медленном нагреве и охлаждении, когда кинетическими эффектами можно пренебречь, были проведены нейтронографические исследования на стационарном исследовательском атомном реакторе ИВВ-2М, на Белоярской АЭС. Нейтронограммы образцов были получены на нейтронном дифрактометре высокого углового разрешения (Δd/d=0.2%). Съемка проводилась в интервале температур (20-800°С) после предварительной выдержки в течение 1 часа при заданной температуре для достижения равновесного состояния. Уточнение структурных параметров было выполнено методом полнопрофильного анализа Ритвельда [6], который на основании сравнения теоретических и экспериментальных дифрактограмм позволяет установить координаты атомов, общий тепловой фактор, индивидуальные изотропные или анизотропные тепловые факторы и заселенности позиций атомами разных сортов.
3
X
В результате установлено, что образцы при температурах ниже γ-α перехода содержат α-Fe и цементит с орторомбической элементарной ячейкой (17% по массе), а при температурах выше γ-α перехода - γ-Fe, в котором атомы углерода располагаются в октаэдрических междоузлиях. При анализе заселенности позиций цементита атомами Fe и С оказалось, что его состав не является постоянным, а существенно изменяется в зависимости от температуры (фиг.3). При этом его доля и орторомбическая решетка сохраняются вплоть до температуры γ-α перехода; при более высоких температурах цементит исчезает. Таким образом, состав цементита в общем случае может быть представлен формулой FeC, в которой величина Х уменьшается с ростом температуры от Х≈1 (при 20°C) до Х≈0.75 (при температурах, близких к точке γ-α перехода), следовательно, в зависимости от режима термообработки состав цементита может меняться.
Для того чтобы детально определить, что представляет собой исследуемое структурное состояние, были проведены расчеты ГЦК-Fe методами теории функционала электронной плотности [7]. Эти расчеты показали наличие нескольких равновесных состояний, отличающихся величиной магнитного момента, типом магнитной структуры и удельным объемом. Среди них наиболее существенными являются высокоспиновое (HS) ферромагнитное (FM) состояние, с большей энергией и большим объемом на атом, и низкоспиновое (LS) антиферромагнитное (AFM), с меньшей энергией и меньшим объемом на атом. Более последовательные расчеты, учитывающие возможность появления неколлинеарных магнитных структур, моделируемых спиновыми спиралями, также приводят к двум равновесным состояниям: состоянию HS-FM (вектор спиновой спирали q=0) и состоянию, представляющему собой совокупность вырожденных по энергии LS состояний с 0.2<q≤0.5 (q в единицах 2π/а, а - параметр ГЦК решетки Fe, измеряемый в нанометрах, q=0.5 соответствует AFM). Существенной особенностью, установленной в этих расчетах, является то, что равновесному состоянию γ-Fe отвечает не ГЦК, а ГЦТ решетка. Величина тетрагональности с/а зависит от магнитной структуры и колеблется в пределах от 4 до 10%.
В настоящее время не вызывает сомнений, что определяющую роль в фазовой стабильности Ре и его сплавов играет магнетизм (см. [8] и [9]). Наличие нескольких магнитных состояний создает предпосылки для возникновения гетерогенности в γ-Fe и является причиной инварного поведения сплавов на его основе [9].
1
0
0
0
1
3
О возможности формирования ближнего магнитного порядка при температурах, близких к A (~1000 К), можно судить на основании проведенной нами оценки обменной энергии, ответственной за формирование ферромагнитного состояния. На фиг.4 приведены результаты расчетов параметра J, измеряемого в эВ/атом и характеризующего выигрыш в магнитной энергии в результате образования ферро (J<0) или антиферромагнитного (J>0) порядка [10]. Видно, что этот выигрыш достигает величины ~1000 К при объеме, близком к экспериментальному (12.2 А/атом), и тетрагональной деформации около -5% (с/а≈0.95, кривая 3); при этом ГЦК решетка искажается в сторону ОЦК структуры. Таким образом, благодаря выигрышу в магнитной энергии следует ожидать появления тетрагонально искаженных областей с ферромагнитным ближним порядком при температурах, близких к A.
max
max
0
Проведенные нами [11] в рамках теории функционала электронной плотности расчеты для частично упорядоченного магнитного состояния железа методом разупорядоченных магнитных моментов (DLM) показали, что при намагниченности М~0.5M (M - максимальная величина намагниченности, реализуемая в ферромагнитном состоянии) минимум энергии достигается для ГЦТ решетки с величиной тетрагональности с/а≈0.95. Этот результат дает прямое подтверждение выводам, основанным на оценке обменной энергии J, приведенным выше.
3
Таким образом, благодаря сильной связи решеточных и магнитных степеней свободы в γ-Fe в некотором температурном интервале Т>А могут сосуществовать два устойчивых состояния: парамагнитное ГЦК и тетрагонально-искаженное (ГЦТ) с ближним ферромагнитным порядком. Это приводит к особому характеру спин-решеточной динамики, существование которой объясняет наблюдаемое "антиинварное" поведение γ-Fe [9] и играет ключевую роль в зарождении новой фазы при γ-α превращении. Структуру спин-решеточных возбуждений в фиксированный момент времени можно представить состоящей из чередующихся наноразмерных областей ГЦТ и ГЦК решетки.
С целью выяснения роли углерода в формировании исследуемого особого структурного состояния системы Fe-С нами методами теории функционала плотности были проведены расчеты электронной структуры, решеточных и магнитных свойств разбавленного твердого раствора углерода в γ-Fe [12]. Обнаружено сильное влияние углерода на магнитную структуру γ-Fe. Внедрение углерода в междоузельную позицию приводит к локальной магнитной поляризации решетки γ-Fe и сопровождается значительными тетрагональными деформациями, искажающими ГЦК решетку по направлению к ОЦК. При этом изменение энергии обменных взаимодействий оказалось достаточно велико (энергия локального переворота спинов J~1100 К), так что магнитные неоднородности вблизи атомов углерода должны сохраняться до достаточно высоких температур . Наличие тетрагональных искажений вблизи атомов углерода увеличивает взаимодействие между ними, содействуя формированию ближнего порядка в обогащенных углеродом областях. Кроме того, способность углерода вызывать локальную магнитную поляризацию γ-Fe приводит к преимущественному расположению его внутри магнитоупорядоченных областей в переохлажденном аустените γ-Fe-C. В результате углерод оказался тем химическим элементом, который способствует стабилизации (увеличению времени существования) ГЦТ флуктуаций с ближним ферромагнитным порядком и тем самым формированию структурного состояния с квазистатическими смещениями в системе Fe-C; при этом области ГЦТ Fe обогащены углеродом.
Таким образом, на основании экспериментальных фактов, а также результатов проведенных расчетов установлено, что в системе Fe-C при определенных условиях реализуется особое структурное состояние, названное авторами МАРИНИТ. Это состояние характеризуется наличием в матрице ГЦК железа обогащенных углеродом областей квазистатических атомных смещений, переводящих ГЦК в ГЦТ решетку с ближним ферромагнитным порядком, и обедненных углеродом областей, которые могут иметь парамагнитную ГЦК или ферромагнитную ОЦК структуру.
Для того чтобы получить дополнительную информацию о том, что представляет собой маринит, были проведены соответствующие эксперименты.
В частности, был осуществлен нагрев образца до температуры 745°C, выдержка 2 мин 55 с и охлаждение в воде цилиндрического образца диаметром 8 мм из стали следующего химического состава (здесь и далее по тексту указаны вес.%): 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси (режим 1).
В процессе выдержки реализовывалось особое структурное состояние маринит.
Электронно-микроскопическое исследование структуры образцов после охлаждения было проведено в Институте физики металлов (г.Екатеринбург) на просвечивающем электронном микроскопе JEM 200СХ.
Микроструктура стали после такой обработки показана на фиг.5 и характеризуется хорошо организованными колониями мартенситных пластин, каждая из которых содержит множество параллельных микродвойников (фиг.5а). При этом на всем видимом поле присутствует характерный пятнистый (так называемый "твидовый") контраст (фиг.5б), который можно трактовать как результат рассеяния электронов на дисперсных выделениях размером 2-5 нм. Такие выделения могут представлять собой кластеры, обогащенные углеродом, или мелкие выделения карбидов.
α
Рентгенографические исследования этого же образца, проведенные в Институте физики металлов (г.Екатеринбург) на рентгеновском дифрактометре ДРОН-1УМ в Fe K излучении, выявили необычную особенность рентгеновских линий (фиг.6), проявляющуюся в нарушении стандартного соотношения 1:2 интенсивностей пиков дублета (110), предписываемого геометрией тетрагональной решетки мартенсита [13]. Выполнение такого соотношения хорошо видно из разложения интенсивности рентгеновской линии на суперпозицию лоренцевых пиков для образца, закаленного от Т=1100°C (фиг.6а). Для объяснения соотношения интенсивностей (близкого к 1:1), наблюдаемого в образцах, закаленных от 745°C, необходимо допустить наличие областей кубической фазы наряду с тетрагональной. Механизм формирования рентгенографической картины в этом случае иллюстрируется фиг.6б, из которой видно, что 40% объемной доли кубической фазы приводит к соотношению пиков, близкому к 1:1.
-1
Нейтронографическим исследованиям подвергались образцы стали состава: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, после обработки по режиму, который заключался в нагреве в печи до 1005°С, охлаждении на воздухе до 700°C, деформации кручением в пластометре торсионного типа (относительная деформация поверхностного слоя ε=0,12, скорость деформации ξ=0,2 с), охлаждении в селитре (443°С) в течение 3 с и последующем охлаждении в воде; и образцы того же химического состава с мартенситной структурой, полученные путем прямой закалки из аустенитной области. Нейтронографический эксперимент проводился на стационарном исследовательском атомном реакторе ИВВ-2М Белоярской АЭС на нейтронном дифрактометре высокого углового разрешения. Определение фазового состава и уточнение структурных параметров фаз было выполнено методом полнопрофильного анализа Ритвельда [6].
В результате установлено, что степень тетрагональности решетки образцов, в ходе термообработки которых реализовывался маринит, составила ~0,5%, в то время как тетрагональность решетки мартенсита того же химического состава составляет ~2%.
Полученные данные подтверждают выводы, сделанные на основе результатов рентгенографического эксперимента, и свидетельствуют об аномально низкой степени тетрагональности решетки в структуре, формирующейся при быстром охлаждении маринита.
В другом опыте проводили нагрев образца той же формы и того же химического состава до температуры 1010°С, охлаждение в расплаве солей состава 41% KCl, 37% NaCl, 22% BaCl до температуры 745°С и последующее охлаждение в воде (режим 2). В ходе указанной термообработки при охлаждении в расплаве солей реализовывалось структурное состояние маринит.
4
0.63
Анализ фазового состава термообработанных по режимам 1 и 2 образцов был проведен методами сканирующей электронной микроскопии (SEM) и электронной дифракции при отражении от поверхности на большие углы (EBSD). Типичные SEM изображения структуры травленой поверхности этих образцов показаны на фиг.7 и 8 соответственно. Изображения на фиг.7 и 8 морфологически подобны и топологически однозначно интерпретируются как проекция сформировавшегося в результате травления сложного рельефа, состоящего из элементов развитой поверхности с преимущественно осевой направленностью и вытравленных пустот. Сопоставление результатов SEM и EBSD анализа для указанных образцов позволяет заключить, что элементы развитой поверхности представляют собой карбид железа, предположительно состава FeC, а объемы образовавшихся после травления пустот были заполнены ОЦК Fe. Поскольку такая структура получена путем закалки маринита, можно заключить, что карбиды железа образуются из обогащенных углеродом областей, а обедненные углеродом области при закалке переходят в ОЦТ Fe с аномально низкой тетрагональностью.
Таким образом, при сопоставлении вышеуказанных результатов можно утверждать, что подходящий выбор режимов изменения температуры позволяет реализовать маринит, охлаждение которого приводит к образованию структуры, содержащей ОЦТ области с аномально низкой тетрагональностью, которую в дальнейшем мы называем «закаленным маринитом» или «РУТИТОМ».
Для того чтобы выяснить, как изменяется кинетика перлитного превращения, в случае если оно протекает из реализованного ранее структурного состояния маринита, были проведены следующие эксперименты.
Осуществляли нагрев до температуры 1005°С, охлаждение на воздухе до температуры 745°С, последующее охлаждение в расплаве селитры с температурой 443°C в течение 10 с и последующее охлаждение в воде. В этом режиме в образце из реализованного в процессе охлаждения структурного состояния маринита формируется сорбитная структура, объемная доля которой близка к 100% (фиг.9).
Проводились также эксперименты по нагреву образцов до температуры 745°C с выдержкой 3 мин, дальнейшем охлаждением в расплаве селитры с температурой 443°С в течение 10 с и последующим охлаждением в воде. В этом режиме в образце из реализованного путем нагрева структурного состояния маринита также формируется сорбитная структура (фиг.10).
Как в том, так и в другом эксперименте время сорбитизации образцов составило около 10 с. Время сорбитизации катанки такого же диаметра в применяемых в настоящее время технологиях составляет 20-60 с [14, 15]. Таким образом, реализация маринита позволяет ускорить процесс формирования сорбитной структуры.
Таким образом, имеется целый ряд экспериментальных свидетельств существования особого структурного состояния (маринита) в системе Fe-C [16]. Образование маринита приводит к наблюдаемым особенностям в температурной зависимости теплового расширения и магнитной восприимчивости, а закалка образцов из маринитного состояния приводит к образованию рутита.
1
C
1
Температурная зависимость магнитной восприимчивости и теплового расширения (фиг.16 и 2) указывает, что γ-α превращению при охлаждении предшествует формирование магнитоупорядоченных наноразмерных областей. В процессе охлаждения в интервале температур A<T<T объемная доля таких областей растет и при Т~A эти области объединяются, приводя в конечном счете к образованию α-фазы.
Как показали проведенные расчеты, углерод способствует стабилизации ГЦТ флуктуации с ближним магнитным порядком и тем самым образованию структурного состояния с квазистатическими смещениями в системе Fe-C. Формирование ближнего магнитного порядка приводит к заметному снижению упругого модуля C' и понижению устойчивости решетки относительно ГЦК-ОЦК превращения. Поэтому при значительном переохлаждении маринита превращение будет развиваться по сдвиговому механизму путем потери устойчивости каркасом «мягких» магнитоупорядоченных областей. В результате формируется необычная структура (закаленный маринит - рутит), содержащая α-Fe с аномально низкой тетрагональностью и области, обогащенные углеродом, или дисперсные выделения карбидов. По сравнению с верхним и нижним бейнитом, а также зернистым и пластинчатым перлитом того же химического состава, указанное структурное состояние отличается более высокой прочностью и твердостью, а по сравнению с мартенситом - повышенной пластичностью.
Если охлаждение маринита осуществляется с меньшей скоростью, ведущим процессом будет распад аустенита по углероду. В результате превращение будет протекать по перлитному механизму и в зависимости от режима охлаждения приведет к образованию либо пластинчатого, либо зернистого перлита.
Таким образом, реализация маринита позволяет далее получать, в зависимости от режимов его охлаждения, либо структурное состояние, названное авторами рутитом, отличающееся от мартенсита и бейнита сочетанием высоких эксплуатационных характеристик (трещиностойкость, пластичность, твердость, прочность), либо феррито-цементитные структуры (например, перлит различной степени дисперсности) за технологически более короткие времена.
Процесс реализации маринита можно осуществить либо при охлаждении аустенита, либо при нагреве структуры, фазовый состав которой представлен ферритом и карбидами железа. Этим и объясняется применение двух способов термообработки.
Общим признаком для заявленных способов термообработки изделий из сплавов с содержанием углерода до 4.3% по массе является обеспечение условий, необходимых для формирования маринита, и последующее его охлаждение.
Первый способ можно характеризовать как термическую обработку изделия из сплава путем получения маринита при охлаждении из аустенитной области и формирование требуемого структурного состояния, содержащего заданные доли перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур в процессе последующего охлаждения.
В этом случае нагрев сплава производят с созданием условий, обеспечивающих формирование аустенита для последующей реализации маринита и дальнейших фазовых превращений, в результате которых будет получено требуемое структурное состояние сплава, для чего подбирают или рассчитывают соответствующие режимы снижения температуры.
Как следует из проведенных экспериментов, необходимым условием формирования маринита из аустенита является наличие областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному. При этом чем больше объемная доля этих областей, тем большая доля маринита может быть реализована.
Реализация маринита необходима для обеспечения условий формирования заданного структурного состояния: перлита различной степени дисперсности (за короткие технологические времена) и/или закалочных структур.
Поскольку, как установлено экспериментально, рутит обладает уникальным сочетанием свойств (твердость, прочность, пластичность, трещиностойкость), то получаемые в результате термической обработки изделия будут обладать комплексом потребительских свойств, труднодостижимым традиционными методами.
Дальнейшее после реализации маринита охлаждение изделия из сплава на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе осуществляется по режимам, обеспечивающим формирование заданных долей перлита, рутита и закалочных структур.
Диапазон концентрации углерода в сплаве до 4,3% по массе обусловлен тем, что для реализации маринита необходимо обеспечить наличие объемов сплава, в которых концентрация углерода близка к эвтектоидной. Как в сплавах с концентрацией углерода меньше эвтектоидной, так и в сплавах с концентрацией больше эвтектоидной варьированием температуры можно реализовать условия, при которых в некоторых микрообъемах достигается концентрация углерода, близкая к эвтектоидной. Увеличение концентрации углерода до значений, превышающих 4,3% по массе, нецелесообразно, поскольку в этом случае эвтектоидная концентрация достигается в микрообъемах, расположенных внутри ледебурита.
Помимо углерода в сплаве могут присутствовать и другие химические элементы как в виде легирующих добавок, так и в виде неконтролируемых примесей, при этом их концентрации должны находиться в пределах, допускающих при нагреве изделия из сплава формирование в нем объемов аустенита, таковых, что при определенных режимах охлаждения реализуются условия эвтектоидного распада.
Часто на практике заданное структурное состояние формируется с достижением регламентируемого соотношения объемных долей заданных структурных составляющих (перлита, рутита и закалочных структур). Исходя из этого, целесообразно задавать долю областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, достаточную для реализации заданной доли маринита, необходимой для формирования требуемого структурного состояния.
Режимы, обеспечивающие формирование заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, в ряде случаев невозможно определить, опираясь на литературные данные, поэтому целесообразно определять их расчетно или экспериментально.
Режимы нагрева и охлаждения, которые обеспечат получение маринита из аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, можно определить расчетным путем. Например, с использованием уравнений, приведенных в п.5 формулы изобретения.
На практике целесообразно дополнять расчетные методы определения режимов, обеспечивающих получение маринита из аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, экспериментальными, например, проводя закалку образцов от фиксированных температур при различном времени выдержки при них. При этом в эксперименте можно использовать как образцы, химический состав которых тождественен химическому составу сплава изделия, так и образцы, в которых легирующие примесные элементы присутствуют в той же концентрации, а концентрация углерода соответствует эвтектоидной.
Факт существования маринита устанавливают по наличию в закаленном образце рутита.
При этом наличие рутита целесообразно устанавливать, используя дифракционные методы как наиболее достоверные. Например, дифракцию обратно рассеянных электронов, малоугловое рассеяние нейтронов, рентгеновскую дифракцию.
После реализации маринита необходимо дальнейшее охлаждение изделия из сплава для получения заданного структурного состояния, содержащего заданные доли перлита и/или рутита. Для этого осуществляется соответствующий подбор режимов охлаждения. Определить режим охлаждения, приводящий к образованию заданного структурного состояния, можно экспериментальным или расчетным путем. При этом экспериментальный метод включает закалку образцов и последующее определение объемной доли перлита.
В частных случаях реализации способа для определения режима охлаждения используется расчетный путь с применением математической модели, приведенной в п.9 формулы изобретения, которая после определения термокинетических констант для модельного образца позволяет произвести расчет режимов охлаждения изделий произвольной формы в различных охлаждающих средах.
В частных случаях реализации после формирования требуемой доли маринита охлаждение осуществляется по режимам, не включающим закалку до формирования задаваемых долей фаз феррита и карбидов железа в заданном структурном состоянии. Обработка по данной схеме позволяет ускорить формирование сорбитной структуры (например, для прутка диаметром 8 мм из стали с составом, близким к эвтектоидному (0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси), нагретого до температуры 1005°С и охлажденного на воздухе до 745°С, время формирования сорбитной структуры при дальнейшем охлаждении в расплаве селитры с температурой 443°С составляет 10 с).
Осуществление охлаждения изделия из сплава со скоростями, достаточными для подавления диффузионных превращений после формирования заданной доли перлита, позволяет сформировать заданные доли рутита и закалочных структур.
В ряде случаев целесообразно осуществлять охлаждение изделия из сплава одним или несколькими импульсами, например, при производстве длинномерного проката и проволоки. Однако в этом случае возникает опасность образования закалочных структур в поверхностном слое. Избежать их образования можно путем чередования импульсов охлаждения с паузами, во время которых температура поверхностного слоя будет возрастать за счет передачи тепла от внутренних слоев изделия из сплава внешним, в результате чего либо произойдет исчезновение закалочных структур в поверхностном слое, либо их формирование будет предотвращено.
В частных случаях, процесс охлаждения организуют так, что импульсы чередуют с паузами, длительность которых назначают достаточной для заданного снижения разности температур между максимальными и минимальными значениями по сечению изделия из сплава для того, чтобы снизить внутренние термические напряжения.
В частных случаях реализации способа длительность каждого из импульсов охлаждения назначают так, чтобы они не приводили к образованию закалочных структур в заданном структурном состоянии. Это условие необходимо соблюдать, поскольку при снижении температуры могут быть сформированы и такие импульсы охлаждения, что теплоты центральных слоев изделия может оказаться недостаточно для ликвидации образовавшихся закалочных структур в поверхностном слое.
В частных случаях реализации целесообразно выполнять охлаждение таким образом, чтобы один из импульсов обеспечивал максимальное снижение температуры поверхности изделия из сплава без образования закалочных структур. Это необходимо для того, чтобы, как показали эксперименты, ускорить кинетику формирования перлита. Например, если после нагрева до температуры 1005°C и охлаждения на воздухе до 745°С дальнейшему охлаждению в расплаве селитры с температурой 443°С предшествует водяное охлаждение однократным импульсом длительностью 0,2 с, формирование сорбитной структуры происходит за меньшие времена и для прутка диаметром 8 мм из стали с составом, близким к эвтектоидному (0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси), составляет 4 с.
В ряде случаев целесообразно после формирования в сплаве заданной доли аустенита, достаточной для получения в заданном структурном состоянии заданных долей перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур, снижение температуры, требуемое для реализации маринита, осуществлять импульсами охлаждения.
В тех случаях, когда отсутствует технологическая необходимость продолжения импульсного охлаждения, после достижения в сплаве долей фаз феррита и карбидов железа, обеспечивающих в дальнейшем получение их заданного содержания в конечном структурном состоянии, импульсное охлаждение прекращают, переходя к монотонному охлаждению и/или изотермической выдержке.
Kфер
Kфер
-1
Кинетику формирования маринита и последующего формирования перлита можно ускорить, если после нагрева сплава до температур, обеспечивающих формирование в нем требуемой доли аустенита, сплав подвергают пластической деформации. При этом пластическую деформацию можно осуществлять в широком температурном интервале, но более эффективный результат достигается, если сплав подвергнуть пластической деформации при температуре t±50°C, где t - температура точки Кюри феррита, °C (например, как показали опыты, если перед охлаждением в расплаве селитры с температурой 443°C деформировать образец в пластометре торсионного типа при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температуре 745°С, то время формирования сорбитной структуры существенно сокращается). Например, для прутка диаметром 8 мм из стали с составом, близким к эвтектоидному (0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси), время формирования сорбитной структуры при обработке по данной схеме составляет 3 с.
-1
Наибольшее ускорение формирования маринита и последующего формирования перлита достигается при комбинировании ускоряющих эффектов импульсного охлаждения и пластического деформирования в одной технологической схеме. Например, если после нагрева до температуры 1005°С и охлаждения на воздухе до 745°C осуществить деформацию образца цилиндрической формы диаметром 8 мм из стали с составом, близким к эвтектоидному (0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси), в пластометре торсионного типа при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температуре деформирования 745°C, далее подвергнуть образец водяному охлаждению однократным импульсом длительностью 0,2 с и затем поместить его в расплав селитры с температурой 443°С, то время формирования сорбитной структуры составляет 1 с.
Экспериментально установлено, что воздействие на сплав постоянным или импульсным магнитным полем в процессе исчезновения аустенита и реализации маринита также позволяет сократить время термической обработки сплава. Маринит характеризуется наличием развитого ближнего магнитного порядка. Поэтому наложение внешнего магнитного поля будет стимулировать его образование.
Во всех способах для охлаждения используют преимущественно воду или водосодержащие среды. В принципе, охлаждение можно осуществлять любыми средами из числа известных, применяемых в металлургических процессах (вода, масла, воздух, различные эмульсии, расплавы солей). Однако поскольку при реализации некоторых операций необходимо осуществлять охлаждение с большими скоростями, то целесообразно использовать среды с высокой теплоемкостью, к числу которых относятся вода, растворы и эмульсии на ее основе.
Второй способ можно характеризовать как термическую обработку изделия из сплава путем получения маринита при нагреве и формирование требуемого структурного состояния, содержащего заданные доли перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур в процессе последующего охлаждения.
Способ, изложенный в п.22 формулы изобретения, целесообразно применять, когда отсутствуют технологические требования к обеспечению высоких температур нагрева (теплое волочение, ковка, теплая высадка, теплое прессование).
Как показали эксперименты, для формирования маринита в сплаве при его нагреве от комнатной температуры необходимым условием является наличие объемов (областей), в которых содержание углерода, с учетом присутствия в этих объемах атомов других химических элементов, близка к эвтектоидной. Таким образом, в зависимости от структурного состояния сплава маринит будет образовываться либо при растворении цементита перлитных колоний, либо в объемах, содержащих достаточное число карбидов, либо в объемах закалочных структур соответствующего химического состава.
Реализация маринита необходима для обеспечения условий формирования в заданном структурном состоянии заданных долей перлита различной степени дисперсности (за короткие технологические времена) и/или закалочных структур.
Поскольку, как установлено экспериментально, рутит обладает уникальным сочетанием свойств (твердость, прочность, пластичность, трещиностойкость), то получаемые в результате термической обработки изделия будут обладать комплексом потребительских свойств, труднодостижимым традиционными методами.
Дальнейшее после реализации маринита охлаждение изделия из сплава на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе осуществляется по режимам, обеспечивающим формирование заданных долей перлита, рутита и закалочных структур.
Диапазон концентрации углерода в сплаве до 4,3% по массе обусловлен тем, что для реализации маринита необходимо обеспечить наличие объемов сплава с содержанием углерода, близким к эвтектоидному. Как в сплавах с концентрацией углерода меньше эвтектоидной, так и в сплавах с концентрацией больше эвтектоидной варьированием температуры можно реализовать условия, при которых для некоторых объемов сплава это условие выполняется. Увеличение концентрации углерода до значений, превышающих 4,3% по массе, нецелесообразно, поскольку в этом случае эвтектоидная концентрация достигается в микрообъемах, расположенных внутри ледебурита.
Помимо углерода в составе сплава могут присутствовать и другие химические элементы как в виде легирующих добавок, так и в виде неконтролируемых примесей, при этом их концентрации должны находиться в пределах, допускающих при определенных условиях протекание в сплаве эвтектоидного распада.
Часто на практике заданное структурное состояние формируется с достижением регламентируемого соотношения объемных долей заданных структурных составляющих (перлита, рутита и закалочных структур). Исходя из этого, целесообразно задавать долю маринита, достаточную для формирования требуемого структурного состояния.
Режимы, обеспечивающие формирование заданной доли маринита, в ряде случаев невозможно определить, опираясь на литературные данные, поэтому целесообразно определять их расчетно или экспериментально.
Режимы нагрева и охлаждения, которые обеспечат условия реализации маринита, можно определить расчетным путем. Например, с использованием уравнений, приведенных в п.26 формулы изобретения.
На практике целесообразно дополнять расчетные методы определения режимов, обеспечивающих реализацию маринита, экспериментальными, например, проводя закалку образцов от фиксированных температур при различном времени выдержки при них. При этом в эксперименте можно использовать как образцы, химический состав которых тождественен химическому составу сплава изделия, так и образцы, в которых легирующие примесные элементы присутствуют в той же концентрации, а концентрация углерода соответствует эвтектоидной.
Факт существования маринита устанавливают по наличию в закаленном образце рутита.
Так же, как и в первом способе термической обработки изделий из сплавов, и в этом способе наличие рутита устанавливают, используя дифракционные методы; определяют режимы охлаждения, приводящего к образованию заданного количества перлита в заданном структурном состоянии экспериментальным по п.29 или расчетным по п.30 путем.
В частных случаях реализации после формирования требуемой доли маринита охлаждение осуществляется по режимам, не включающим закалку до формирования задаваемых долей фаз феррита и карбидов железа в конечном структурном состоянии. Обработка по данной схеме позволяет ускорить формирование сорбитной структуры (например, для прутка диаметром 8 мм из стали с составом, близким к эвтектоидному (0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси), нагретого до температуры 745°С и выдержанного при этой температуре в течение 3 мин, время формирования сорбитной структуры при дальнейшем охлаждении в расплаве селитры с температурой 443°С составляет 10 с).
Осуществление охлаждения изделия из сплава со скоростями, достаточными для подавления диффузионных превращений после формирования заданной доли перлита, позволяет сформировать заданные доли рутита и закалочных структур.
В ряде случаев целесообразно осуществлять охлаждение изделия из сплава одним или несколькими импульсами, например, при производстве длинномерного проката и проволоки. Однако в этом случае возникает опасность образования закалочных структур в поверхностном слое. Избежать их образования можно путем чередования импульсов охлаждения с паузами, во время которых температура поверхностного слоя будет возрастать за счет передачи тепла от внутренних слоев изделия из сплава внешним, в результате чего либо произойдет исчезновение закалочных структур в поверхностном слое, либо их формирование будет предотвращено.
В частных случаях процесс охлаждения организуют так, что импульсы охлаждения чередуют с паузами, длительность которых назначают достаточной для заданного снижения разности температур между максимальными и минимальными значениями по сечению сплава для того, чтобы снизить внутренние термические напряжения.
Так же, как и в первом способе, в частных случаях реализации данного способа длительность каждого из импульсов охлаждения назначают так, чтобы они не приводили к образованию закалочных структур в заданном структурном состоянии. Это условие необходимо соблюдать, поскольку при охлаждении могут быть сформированы и такие импульсы охлаждения, что теплоты центральных слоев изделия может оказаться недостаточно для ликвидации образовавшихся закалочных структур в поверхностном слое.
В частных случаях реализации целесообразно выполнять охлаждение таким образом, чтобы один из импульсов обеспечивал максимальное снижение температуры поверхности изделия без образования закалочных структур. Это необходимо для того, чтобы, как показали эксперименты, ускорить кинетику формирования перлита. Например, если после нагрева до температуры 745°C и выдержки при этой температуре в течение 3 мин дальнейшему охлаждению в расплаве селитры с температурой 443°C предшествует водяное охлаждение однократным импульсом длительностью 0,2 с, формирование сорбитной структуры происходит за меньшие времена и для прутка диаметром 8 мм из стали с составом, близким к эвтектоидному (0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси), составляет 4 с.
В тех случаях, когда отсутствует технологическая необходимость продолжения импульсного охлаждения, после достижения в сплаве долей фаз феррита и карбидов железа, обеспечивающих в дальнейшем получение их заданного содержания в конечном структурном состоянии, импульсное охлаждение прекращают, переходя к монотонному охлаждению и/или изотермической выдержке.
Кинетику формирования перлита можно ускорить, если после реализации маринита подвергнуть сплав пластической деформации. Кинетику формирования маринита и последующего формирования перлита можно ускорить, если при нагреве сплава до или в процессе реализации маринита подвергнуть сплав пластической деформации.
Kфер
Kфер
-1
При этом пластическую деформацию можно осуществлять в широком температурном интервале, но более эффективный результат достигается, если сплав подвергнуть пластической деформации при температуре t±50°C, где t - температура точки Кюри феррита, °C (например, как показали опыты, если перед охлаждением в расплаве селитры с температурой 443°C деформировать образец в пластометре торсионного типа при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температуре 745°C, то время формирования сорбитной структуры существенно сокращается). Например, для прутка диаметром 8 мм из стали с составом, близким к эвтектоидному (0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси), время формирования сорбитной структуры при обработке по данной схеме составляет 3 с.
Как и в отношении первого способа, наибольшее ускорение формирования перлита достигается при комбинировании ускоряющих эффектов импульсного охлаждения и пластического деформирования в одной технологической схеме.
-1
Например, если после нагрева до температуры 745°С и выдержки при этой температуре в течение 3 мин осуществить деформацию образца цилиндрической формы диаметром 8 мм из стали с составом, близким к эвтектоидному (0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси), в пластометре торсионного типа при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температуре деформирования 745°C, далее подвергнуть образец водяному охлаждению однократным импульсом длительностью 0,2 с и затем поместить его в расплав селитры с температурой 443°C, то время формирования сорбитной структуры составляет 1 с.
Во всех способах для охлаждения используют преимущественно воду или водосодержащие среды. В принципе, охлаждение можно осуществлять любыми средами из числа известных, применяемых в металлургических процессах (вода, масла, воздух, различные эмульсии, расплавы солей). Однако, поскольку при реализации некоторых операций необходимо осуществлять охлаждение с большими скоростями, то целесообразно использовать среды с высокой теплоемкостью, к числу которых относятся вода, растворы и эмульсии на ее основе.
3
X
0
3
3
3
Способ термической обработки изделий из сплавов на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе поясняется примерами их реализации и графическими изображениями. На фиг.1а представлена зависимость магнитной восприимчивости от температуры, на фиг.1б - ее фрагмент в увеличенном масштабе в температурном интервале 740-800°C. На фиг.2 представлена зависимость коэффициента теплового расширения α(T) от температуры (стрелками показано направление изменения температуры). На фиг.3 представлено изменение концентрации углерода в карбиде FeC в зависимости от температуры. На фиг.4 представлена зависимость обменной энергии J от величины тетрагональной деформации с/а для объема на атом V=11.00А(кривая 1), 11.44А (кривая 2), 12.00 А (кривая 3), где отрицательные значения соответствуют предпочтительности ферромагнитного, а положительные - антиферромагнитного упорядочения моментов. На фиг.5а, 5б и 5в представлены примеры микроструктуры образца эвтектоидной стали, формирующейся после выдержки при 745°С около 3 мин и последующей закалки в воду (увеличение ×30000). На фиг.6а представлены рентгенограммы закаленного от температуры 1100°C образца, и на фиг.6б - рентгенограммы закаленного от температуры 745°С после выдержки при этой температуре около 3 мин образца, где пунктиром показано разложение наблюдаемого профиля линии {110} на составляющие компоненты. На фиг.7а и 7б представлены примеры микроструктуры образца эвтектоидной стали, нагретого до 745°C, выдержанного при этой температуре 2 мин 55 с и охлажденного в воде. На фиг.8а и 8б представлены примеры микроструктуры образца эвтектоидной стали, нагретого до 1010°C, охлажденного в хлорной соли с температурой 745°С до температуры соли и затем охлажденного в воде. На фиг.9 представлена микроструктура образца эвтектоидной стали, нагретого до температуры 1005°C, охлажденного на воздухе до температуры 745°С, охлажденного в расплаве селитры с температурой 443°C в течение 10 с и затем охлажденного в воде. На фиг.10 представлена микроструктура образца эвтектоидной стали, нагретого до температуры 745°C, выдержанного при этой температуре в течение 3 минут, охлажденного в расплаве селитры с температурой 443°C в течение 10 с и затем охлажденного в воде.
Пример 1. В самом общем виде первый способ термической обработки изделий из сплавов на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе (п.1 формулы изобретения) реализовывался следующим образом.
Изделие (заготовку) нагревали до температур, обеспечивающих формирование заданной доли аустенита, достаточной для получения в заданном структурном состоянии заданных долей перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур. Если заданное конечное структурное состояние не должно содержать долю исходной структуры, имевшейся в изделии из сплава до начала термической обработки, то доля аустенита в нагретом изделии составит 100%, в противном случае - 100% за вычетом доли исходной структуры.
Затем осуществляли снижение температуры изделия по заранее экспериментально или расчетно определенным режимам, обеспечивающим формирование заданной доли областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, с последующим получением в них заданной доли маринита и последующее охлаждение по режимам, обеспечивающим формирование заданного структурного состояния с получением в нем перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур.
При осуществлении способа с использованием экспериментального определения режимов, обеспечивающих получение маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, сначала для каждого сплава определяли условия существования маринита.
Для этого образцы, представляющие собой круглые прутки диаметром 6,5-8 мм и длиной 500-800 мм, нагревались до температуры 1050°С, которая заведомо находилась выше температуры существования маринита и обеспечивала формирование аустенита с объемной долей 100%. При этой температуре образцы выдерживали порядка 15 минут, а затем охлаждали до температур из интервала 815-500°C с шагом 15°C, обеспечивая выдержку при указанных температурах от 0 до 600 с, и осуществляли закалку.
При проведении указанных воздействий записывали кривую зависимости температуры от времени с термопары, зачеканенной в образец на глубину 1/2 радиуса прутка. Для записи кривых охлаждения использовалась известная техника, например модуль аналогового ввода для подключения термопар ADAM 6018. Закаленные образцы исследовались известными методами, в частности дифракционными (рентгено- и нейтронография). По результатам исследования делали вывод о факте существования в образце маринита, при этом о наличии в образце до проведения закалки маринита судили по наличию рутита в образце, закаленном от фиксированных температур при различных временах выдержки при них.
На основании указанных экспериментов определяли температурно-временные условия реализации в сплаве маринита.
При расчетном определении режимов снижения температуры, обеспечивающих получение маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, задавали температурный интервал реализации маринита, удовлетворяющий условиям
TEX
где  - температура локального ферромагнитного упорядочения в аустените вблизи атома углерода, определяемая методом квантого-механического расчета, T - температура, выбираемая с учетом технологических ограничений, и выбирали скорость охлаждения, при которой зависимость температуры охлаждения от времени T(t) удовлетворяет условию T(t)<Θ(t), где зависимость Θ(t) определена линиями начала перлитного и бейнитного превращений на термокинетической диаграмме.
Режимы снижения температуры от реализованного маринита, приводящие к образованию заданного количества перлита требуемой степени дисперсности в заданном конечном структурном состоянии, осуществляли или опытным путем, проводя закалку экспериментальных образцов и последующее определение их структурного состояния, или расчетно.
При экспериментальном определении режимов охлаждения, приводящих к образованию заданного количества перлита требуемой степени дисперсности в заданном структурном состоянии, проводили закалку экспериментальных образцов от температур 745-440°С и определяли их структурное состояние. Для этого экспериментальные образцы, представляющие собой цилиндры диаметром 8 мм и длиной 500 мм с зачеканенными на глубину 2 мм термопарами, охлаждали от температур 745-500°C на воздухе или в расплаве селитры с температурой 440°С и проводили закалку от различных температур (730-440°C), определенных по показаниям термопары. Структурное состояние закаленных образцов определяли металлографическими и дифракционными методами.
Полученные экспериментально кривые охлаждения использовали для определения термокинетических констант, позволяющих производить расчеты режимов охлаждения изделий произвольной формы в различных охлаждающих средах. Определение значений термокинетических констант осуществляли, добиваясь совпадения экспериментальных зависимостей температуры от времени с зависимостями, полученными в результате решения системы уравнений, включающей в себя уравнение теплопроводности
-1
3
2
3
i
i
где оператор  имеет размерность м, r - радиус-вектор точки, в которой производятся вычисления, ρ - плотность, измеряемая в кг/м, q - удельная энтальпия образования i-й фазы, измеряемая в Дж/кг, f(r, t, T) - безразмерная массовая доля фазы i в окрестности точки r в момент времени t при температуре T,  - поток тепла, измеряемый в Дж/(м·с), H(r, t, T) - распределение энтальпии, измеряемой в Дж/м, по объему образца,
уравнение сохранения энергии
где  - удельная теплоемкость фазы i при постоянном давлении от температуры, измеряемая в Дж/(кг·К),
и кинетическое уравнение
ik
k
i
где M(T, f(τ), (t-τ)) - функциональная зависимость, определяющая скорость изменения со временем t массовой доли f фазы i, определяемая для каждого фазового превращения, и проведением с использованием указанных уравнений и найденных термокинетических констант расчета зависимости потока тепла от времени по поверхности изделия, обеспечивающей траекторию изменения температуры во времени, приводящую к формированию заданного структурного состояния.
На основании полученных данных реализовывался способ термической обработки изделий из сплавов на основе железа для получения изделий с заданным структурным состоянием. Для этого сначала осуществляли нагрев заготовки до температур, обеспечивающих формирование аустенита. После этого заготовку охлаждали по режимам, обеспечивающим получение маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному. Затем осуществляли дальнейшее охлаждение изделия из сплава по режимам, обеспечивающим формирование заданной доли перлита требуемой степени дисперсности и/или закалочных структур.
Таким образом, в результате подбора экспериментальным и/или расчетным путем условий формирования (реализации) маринита и соответствующих режимов (траекторий) последующего охлаждения можно получать изделия с заданным структурным состоянием с содержанием перлита требуемой степени дисперсности и/или закалочных структур.
В частных случаях реализации способа для обеспечения получения изделий с заданным структурным состоянием и требуемыми механическими свойствами и снижения технологических времен получения перлитной структуры целесообразно применять воздействие на обрабатываемое изделие или заготовку магнитным полем, подвергать пластической деформации и осуществлять снижение температуры, используя импульсное охлаждение с различными временами импульсов и пауз между ними.
Пример 2. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% сорбита, за короткие технологические времена сорбитизации. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 1005°C с формированием объемной доли аустенита ~100%.
Для указанного химического состава максимально достигаемая объемная доля областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, составляет ~100%.
С целью определения режимов, обеспечивающих получение маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, в соответствии с п.5 формулы изобретения определяли температурный интервал, в котором возможно формирование маринита, удовлетворяющий условиям
TEX
где  - температура локального ферромагнитного упорядочения в аустените вблизи атома углерода определялась методом квантово-механического расчета и составила ~1100 K или 817°С, а T выбрана равной 975 К или 702°C.
Для уточнения режимов формирования маринита, определенных расчетным путем, экспериментально получали кривые охлаждения на воздухе от указанных температур нагрева (~1005°С). Экспериментальные образцы представляли собой круглые прутки диаметром 6,5-8 мм и длиной 500-800 мм. Кривые охлаждения записывались с термопары, зачеканенной в образец на глубину 1/2 радиуса прутка. Для записи кривых охлаждения использовался модуль аналогового ввода для подключения термопар АСАМ 6018. В процессе охлаждения на воздухе образцы подвергались закалке от различных температур из диапазона 700-820°С (с шагом 10°C). После чего образцы исследовались различными известными методами. В образцах, закаленных от 730 до 760°С, наблюдались структурные особенности, свойственные рутиту: ОЦТ области с аномально низкой тетрагональностью (около 0,5%) и твердостью ~750 HV. Следовательно, в исследуемой области температур при осуществлении указанных условий охлаждения в образцах из стали 85 реализовывался маринит. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита, необходимо осуществить охлаждение на воздухе до температур 740-750°C.
Зная условия формирования маринита, осуществляли определение кинетики образования заданного конечного структурного состояния при выбранном для модельного эксперимента режиме охлаждения.
Для этого в модельном образце, представляющем собой цилиндр диаметром 8 мм и длиной 500 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, по показаниям зачеканенной на глубину 2 мм термопары фиксировали изменение его температуры при охлаждении на воздухе от температуры 745°С.
Используя экспериментально полученную зависимость температуры образца от времени, расчетным путем определяли коэффициенты расчетной модели, характеризующие материал и процесс теплообмена (теплофизические и кинетические константы).
Расчет осуществляли следующим образом. Для перехода из маринита в перлит справедлива следующая функциональная зависимость, определяющая скорость изменения со временем безразмерной массовой доли перлита:
1
1
0
Здесь: k=с×ΔT
2
2
0
1/3
k=c×ΔTΔT
3
2
0
1/3
k=c×ΔTΔT
0
1
2
-1
-4/3
ΔТ, измеряемая в градусах Кельвина, - отклонение температуры от температуры фазового равновесия, ΔТ, K - отклонение температуры от температуры фазового равновесия в момент начала фазового превращения, с (имеющая размерность K) и c (измеряемая в K) - кинетические константы.
После перехода к конечно-разностной форме уравнение сохранения энергии для ячейки разностной сетки будет иметь вид:
m
п
0
где c (Дж/кг·К) - теплоемкость маринита, c (Дж/кг·К) - теплоемкость перлита, m (кг) - масса ячейки конечно-разностной сетки, q (Дж/кг) - тепловой эффект фазового превращения, Q (Дж) - приток тепла снаружи, данные без штриха и со штрихом относятся к начальному и конечному временам соответственно.
2
Уравнение теплопроводности определяет кондуктивный приток тепла, измеряемый в Дж/м·с через поверхность ячейки конечно-разностной сетки:
где λ - коэффициент теплопроводности в (Дж/м·с·К) (справочное значение), dT/dr - градиент температуры по радиусу образца.
При охлаждении на воздухе модельного образца с температурой более 600°С можно считать тепловой поток на поверхности чисто радиационным, при котором граничные условия на поверхности образца задает закон Стефана-Больцмана:
s
4
Q=ε·σ·Т,
2
4
где ε, равный 0,8 - безразмерный коэффициент черноты стали, σ - постоянная Больцмана, имеющая размерность Дж/м·с·K, T - температура поверхности образца.
Коэффициенты расчетной модели, определяемые из условия совпадения экспериментальной и рассчитанной зависимостей температуры модельного образца от времени, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Параметр
Эксп. №1
Эксп. №2
Критическая температура, °C
755
752
Тепловой эффект превращения, Дж/кг
8·10<sup>4</sup>
7.7·10<sup>4</sup>
Инкубационный период превращения, с
24
26
Кинетические константы:
c<sub>1</sub>
10<sup>-7</sup>
10<sup>-7</sup>
c<sub>2</sub>
3.3·10<sup>-4</sup>
3.5·10<sup>-4</sup>
Удельная теплоемкость модельного образца, Дж/кг*град
До фазового перехода (при температуре 737°C)
630
630
После фазового перехода (при температуре 617°C)
700
660
Затем с использованием полученных коэффициентов рассчитывали зависимости температуры от времени при охлаждении образца от температуры 745°C в расплаве селитры. Расчет производили для различных температур расплава селитры с использованием справочных значений коэффициентов теплоотдачи. В результате была выбрана температура расплава 443°C, как обеспечивающая наиболее полное протекание превращения (образование мелкодисперсной перлитной структуры) за время 10 с. Затем осуществляли быстрое охлаждение в воде (закалку).
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 1005 до 745°С необходимо осуществлять охлаждение на воздухе, затем осуществлять охлаждение в расплаве селитры с температурой 443°С в течение не менее 10 секунд, а последующее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до температуры выше 1005°С и осуществляли ее охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава селитры с температурой 443°С и технической воды. Время сорбитизации в технологическом цикле в результате этого составило 10 с. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показали, что объемная доля сорбита составляет ~100%, что соответствует заданному конечному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 3. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~80% сорбита за короткие технологические времена сорбитизации и ~20% закалочных структур (мартенсита). Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 1005°С с формированием объемной доли аустенита ~100%.
Для определения режимов реализации заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, экспериментальным путем получали кривые охлаждения на воздухе от указанной температуры нагрева. Образцы представляли собой круглые прутки диаметром 6,5-8 мм и длиной 500-800 мм. Кривые охлаждения записывались с термопары, зачеканенной в образец на глубину 1/2 радиуса прутка. Для записи кривых охлаждения использовался модуль аналогового ввода для подключения термопар ADAM 6018. В процессе охлаждения на воздухе образцы подвергались закалке от различных температур из диапазона 700-820°C (с шагом 10°С). После чего образцы исследовались различными известными методами. В образцах, закаленных от 730 до 760°C, наблюдались структурные особенности, свойственные рутиту: ОЦТ области с аномально низкой тетрагональностью (около 0,5%) и твердостью ~750 HV. Следовательно, в исследуемой области температур при осуществлении указанных условий охлаждения в стали 85 реализовывался маринит. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~80% маринита, необходимо осуществить охлаждение на воздухе до температуры ~750°С.
Зная условия формирования маринита, осуществляли экспериментальное определение кинетики образования заданного конечного структурного состояния. Для этого в указанных образцах по показаниям зачеканенной на глубину 2 мм термопары фиксировали изменение их температуры при охлаждении в расплаве селитры с температурой 440°C от температуры 750°C. Используя экспериментально полученную зависимость температуры образца от времени, проводили закалку образцов в воде от различных температур с момента начала проявления на кривой охлаждения свидетельств тепловыделений, связанных с протеканием перлитного превращения (прибл. 610-620°C) с последующим определением их структурного состояния. В результате эксперимента было установлено, что для формирования ~80% перлита (сорбита) необходимо обеспечить пребывание образцов в расплаве селитры в течение 7 с и последующую закалку в воде. В непревращенном в сорбит объеме образца (~20%) формировалась закалочная структура (мартенсит).
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 1005 до 750°C необходимо осуществлять охлаждение на воздухе, затем осуществлять охлаждение в расплаве селитры с температурой 443°C в течение 7 секунд, а последующее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до температуры выше 1005°C и осуществляли ее охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава селитры с температурой 443°C и технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показали, что объемная доля сорбита составляет ~80%, а объемная доля закалочных структур (мартенсита) ~20%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 4. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% рутита. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 1005°C с формированием объемной доли аустенита ~100%.
Для указанного химического состава максимально достигаемая объемная доля областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, составляет 400%.
Режимы, обеспечивающие в стали указанного химического состава реализацию заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, определялись сначала расчетным путем, а затем уточнялись по экспериментальной методике, как это описано в примере 2, для охлаждения в расплаве солей состава 41% KCl, 37% NaCl, 22% BaCl с температурой 740°C. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита, необходимо осуществить охлаждение в указанной среде до температуры расплава.
Зная условия формирования маринита, осуществляли закалку образца от определенных выше температур, обеспечивая формирование рутита.
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 1005 до 740°C необходимо осуществлять охлаждение в расплаве солей состава 41% KCl, 37% NаCl, 22% ВаCl с температурой 740°C до температуры расплава солей, а последующее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до температуры выше 1005°C и осуществляли ее охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава солей указанного состава с температурой около 740°C и технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля рутита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 5. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% сорбита, за технологические времена сорбитизации, не превышающие 5 с. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 1005°C с формированием объемной доли аустенита ~100%.
Для указанного химического состава максимально достигаемая объемная доля областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, составляет ~100%.
Режимы снижения температуры, обеспечивающие реализацию в указанном сплаве заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, определялись сначала расчетным путем, а затем уточнялись по экспериментальной методике, как это описано в примере 2. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита, необходимо осуществить охлаждение на воздухе до температур 740-750°C.
После реализации маринита охлаждение осуществляли импульсно однократным водным импульсом длительностью 0,2 с. Импульс такой длительности обеспечивал максимальное снижение температуры поверхности и не приводил к образованию закалочных структур в заданном структурном состоянии. После этого импульсное охлаждение прекращали и переходили к монотонному охлаждению в расплаве селитры с температурой 443°C. Время протекания перлитного превращения в указанном способе составило около 4 с. Затем осуществляли быстрое охлаждение в воде (закалку).
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 1005 до 745°С необходимо осуществлять охлаждение на воздухе, затем осуществлять охлаждение однократным водным импульсом продолжительностью 0,2с с последующим охлаждением в расплаве селитры с температурой 443°С в течение не менее 4 секунд, а дальнейшее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до температуры выше 1005°C и осуществляли ее охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава селитры с температурой 443°C и технической воды. Время сорбитизации в технологическом цикле в результате этого составило 4 с. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показали, что объемная доля сорбита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 6. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% сорбита, за технологические времена сорбитизации, не превышающие 3 с. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 1005°С с формированием объемной доли аустенита ~100%.
Для указанного химического состава максимально достигаемая объемная доля областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, составляет ~100%.
Режимы снижения температуры, обеспечивающие реализацию в указанном сплаве заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, определялись по экспериментальной методике, указанной в примере 3. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита, необходимо осуществить охлаждение на воздухе до температур 740-750°C.
-1
Kфер
Kфер
После реализации маринита образец стали указанного химического состава подвергали пластической деформации при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температурах деформирования t±50°C, где t, °С - температура точки Кюри феррита, при температуре 745°C в данном случае. Дальнейшее охлаждение осуществлялось в расплаве селитры с температурой 443°C. Время протекания перлитного превращения в указанном способе составило около 3 с. Затем осуществляли быстрое охлаждение в воде (закалку).
-1
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 1005 до 745°С необходимо осуществлять охлаждение на воздухе, затем осуществлять пластическую деформацию образца при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температуре 745°C и последующее охлаждение в расплаве селитры с температурой 443°C в течение не менее 3 секунд, а дальнейшее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до температуры выше 1005°C, подвергали охлаждению на воздухе до температуры 745°C, осуществляли ее деформацию при этой температуре и охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава селитры с температурой 443°C и технической воды. Время сорбитизации в технологическом цикле в результате этого составило 3 с. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля сорбита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 7. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% сорбита, за технологические времена сорбитизации, не превышающие 2 с. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 1005°С с формированием объемной доли аустенита ~100%.
Для указанного химического состава максимально достигаемая объемная доля областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, составляет ~100%.
Режимы, обеспечивающие в стали указанного химического состава реализацию заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, определялись по экспериментальной методике, указанной в примере 3. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита, необходимо осуществить охлаждение на воздухе до температур 740-750°C.
-1
Kфер
Kфер
После реализации маринита образец стали указанного химического состава сначала подвергали пластической деформации при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температурах деформирования t±50°C, где t, °C - температура точки Кюри феррита, при температуре 745°C в данном случае, а затем осуществляли импульсное охлаждение однократным водным импульсом длительностью 0,2 с. Импульс такой длительности обеспечивал максимальное снижение температуры поверхности и не приводил к образованию закалочных структур в заданном структурном состоянии. После этого импульсное охлаждение прекращали и переходили к монотонному охлаждению в расплаве селитры с температурой 443°C. Время протекания перлитного превращения в указанном способе составило 1 с. Затем осуществляли быстрое охлаждение в воде (закалку).
-1
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 1005 до 745°C необходимо осуществлять охлаждение на воздухе, затем осуществлять пластическую деформацию образца при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температуре 745°C, затем осуществлять охлаждение однократным водным импульсом продолжительностью 0,2 с с последующим охлаждением в расплаве селитры с температурой 443°C в течение 1 секунды, а дальнейшее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до температуры выше 1005°C, подвергали охлаждению на воздухе до температуры 745°C, осуществляли ее деформацию при этой температуре и охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава селитры с температурой 443°C и технической воды. Время сорбитизации в технологическом цикле в результате этого составило 1 с. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля сорбита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 8. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% рутита. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 1005°C с формированием объемной доли аустенита ~100%.
Для указанного химического состава максимально достигаемая объемная доля областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, составляет ~100%.
Режимы, обеспечивающие в стали указанного химического состава реализацию заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, определялись сначала расчетным путем, а затем уточнялись по экспериментальной методике, как это описано в примере 2, но после нагрева заготовки до температур, обеспечивающих формирование в ней требуемой доли аустенита, заготовку подвергали воздействию магнитным полем.
Для этого заготовку, нагретую до температуры 1005°С, помещали в соленоид, внутри которого создавалось постоянное магнитное поле напряженностью 0,5 Т, и подвергали охлаждению на воздухе. В результате воздействия магнитного поля стимулировалось формирование маринита. Охлаждение до температуры 800°C оказалось достаточным для реализации ~100% маринита.
Зная условия формирования маринита, осуществляли закалку образца от определенных выше температур, обеспечивая формирование рутита.
Таким образом, было установлено, что во время охлаждения в температурном интервале от 1005 до 800°C заготовку необходимо подвергать воздействию постоянного магнитного поля, а затем осуществлять охлаждение до комнатной температуры со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до температуры выше 1005°C, осуществляли ее охлаждение на воздухе в условиях приложения магнитного поля напряженностью 0,5 Т и последующее быстрое охлаждение (закалку). Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля рутита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 9. В самом общем виде второй способ термической обработки изделий из сплавов на основе железа с содержанием углерода до 4,3% по массе (п.22 формулы изобретения) реализовывался следующим образом.
Сначала осуществляли выявление экспериментальным или расчетным путем режимов реализации маринита в процессе нагрева сплава, затем изделие (заготовку) нагревали с обеспечением формирования маринита. После чего проводили охлаждение по режимам, обеспечивающим формирование заданного структурного состояния с заданной долей перлита различной степени дисперсности и/или закалочных структур.
При осуществлении способа с использованием экспериментального определения режимов, обеспечивающих получение маринита, сначала для каждого сплава определяли условия его формирования.
Для этого образцы, представляющие собой круглые прутки диаметром 6,5-8 мм и длиной 500-800 мм, нагревали до температур из интервала 500-800°C с шагом 15°C, обеспечивая выдержку при указанных температурах от 0 до 600 с, и осуществляли закалку.
При проведении указанных воздействий записывали кривую зависимости температуры от времени с термопары, зачеканенной в образец на глубину 1/2 радиуса прутка. Для записи кривых охлаждения использовалась известная техника, например модуль аналогового ввода для подключения термопар ADAM 6018. Закаленные образцы исследовались известными методами, в частности дифракционными (рентгено- и нейтронография). По результатам исследования делали вывод о факте существования в образце маринита, при этом о наличии в образце до проведения закалки маринита судили по наличию рутита в образце, закаленном от фиксированных температур при различных временах выдержки при них.
На основании указанных экспериментов определяли температурно-временные условия реализации в сплаве маринита.
При расчетном определении режимов, обеспечивающих реализацию маринита, задавали диапазон температур нагрева, удовлетворяющий условиям
х
c
где  - температура локального ферромагнитного упорядочения в аустените вблизи атома углерода, определяемая методом квантого-механического расчета, Т - эвтектоидная температура для сплава соответствующего химического состава, и задавали время выдержки t в секундах, необходимое для растворения заданной доли цементита f, определяемое из уравнения
c
C0
n
f=1,05fехр(-kt),
C0
-n
где f - безразмерная доля цементита в начальный момент времени, 4>n>3 - степенной показатель, k - параметр, определяющий скорость растворения цементита в сплаве соответствующего химического состава при температуре Т в с.
Режимы снижения температуры от реализованного маринита, приводящие к образованию заданного количества перлита требуемой степени дисперсности в заданном конечном структурном состоянии, осуществляли или опытным путем, проводя закалку экспериментальных образцов и последующее определение их структурного состояния, или расчетно.
При экспериментальном определении режимов охлаждения, приводящих к образованию заданного количества перлита требуемой степени дисперсности в заданном структурном состоянии, проводили закалку экспериментальных образцов от температур 745-440°C и определяли их структурное состояние. Для этого экспериментальные образцы, представляющие собой цилиндры диаметром 8 мм и длиной 500 мм с зачеканенными на глубину 2 мм термопарами, охлаждали от температур 745-500°С на воздухе или в расплаве селитры с температурой 440°С и проводили закалку от различных температур (730-440°C), определенных по показаниям термопары. Структурное состояние закаленных образцов определяли металлографическими и дифракционными методами.
Полученные экспериментально кривые охлаждения использовали для определения термокинетических констант, позволяющих производить расчеты режимов охлаждения изделий произвольной формы в различных охлаждающих средах. Определение значений термокинетических констант осуществляли, добиваясь совпадения экспериментальных зависимостей температуры от времени с зависимостями, полученными в результате решения системы уравнений, включающей в себя уравнение теплопроводности
-1
3
2
3
i
i
где оператор  имеет размерность м, r - радиус-вектор точки, в которой производятся вычисления, ρ - плотность, измеряемая в кг/м, q - удельная энтальпия образования i-й фазы, измеряемая в Дж/кг, f(r, t, T) - безразмерная массовая доля фазы i в окрестности точки r в момент времени t при температуре Т,  - поток тепла, измеряемый в Дж/(м·с), Н(r, t, T) - распределение энтальпии, измеряемой в Дж/м, по объему образца,
уравнение сохранения энергии
где  - удельная теплоемкость фазы i при постоянном давлении от температуры, измеряемая в Дж/(кг·К)
и кинетическое уравнение
ik
k
i
где M(T, f(τ), (t-τ)) - функциональная зависимость, определяющая скорость изменения со временем t массовой доли f фазы i, определяемая для каждого фазового превращения, и проведением с использованием указанных уравнений и найденных термокинетических констант расчета зависимости потока тепла от времени по поверхности изделия из сплава, обеспечивающей траекторию изменения температуры во времени, приводящую к формированию заданного структурного состояния.
На основании полученных данных реализовывался способ термической обработки изделий из сплавов на основе железа для получения изделий с заданным структурным состоянием. Для этого сначала осуществляли нагрев заготовки с обеспечением формирования требуемой доли маринита. Затем осуществляли охлаждение изделия из сплава по режимам, обеспечивающим формирование заданной доли перлита требуемой степени дисперсности и/или закалочных структур.
Таким образом, в результате подбора экспериментальным и/или расчетным путем условий формирования (реализации) маринита и соответствующих режимов (траекторий) последующего охлаждения можно получать изделия с заданным структурным состоянием с содержанием перлита требуемой степени дисперсности и/или закалочных структур.
В частных случаях реализации способа для обеспечения получения изделий с заданным структурным состоянием и требуемыми механическими свойствами и снижения технологических времен получения перлитной структуры целесообразно подвергать обрабатываемое изделие или заготовку пластической деформации и осуществлять снижение температуры, используя импульсное охлаждение с различными временами импульсов и пауз между ними.
Пример 10. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% сорбита, за короткие технологические времена сорбитизации.
Для этого заготовку нагревали до температуры, определенной в соответствии с п.26 формулы изобретения и удовлетворяющей условиям
X
где  - температура локального ферромагнитного упорядочения в аустените вблизи атома углерода определялась методом квантово-механического расчета и составила ~1100 K или 817°C, а температура Т для стали эвтектоидного состава равна 1010 K или 727°C. При температуре нагрева из указанного интервала производили выдержку заготовки в течение времени t, необходимого для растворения 100% цементита, определяемого из уравнения
-10
3,5
1=1,05ехр(-6*10t),
которое для стали указанного химического состава составило ~3 мин.
Для уточнения режимов формирования маринита, определенных расчетным путем, проводили следующий эксперимент. Образцы, представляющие собой круглые прутки диаметром 6,5-8 мм и длиной 500-800 мм, нагревали до различных температур в диапазоне от 720 до 820°С (с шагом 10°С), выдерживали при этих температурах в течение от 1 до 10 мин с шагом 10 с и подвергали закалке в воде. После чего образцы исследовались различными известными методами. В образцах, закаленных от температуры нагрева 730-760°C и времени выдержки при них 2 мин 30 с - 3 мин, наблюдались структурные особенности, свойственные рутиту: ОЦТ области с аномально низкой тетрагональностью (около 0,5%) и твердостью ~750 HV. Следовательно, в исследуемой области температур при осуществлении соответствующих термокинетических условий в образцах из стали 85 реализовывался маринит. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита необходимо при температуре ~745°C обеспечить выдержку ~3 мин.
Зная условия формирования маринита, осуществляли определение кинетики образования заданного структурного состояния, как это указано в примере 2.
Таким образом, было установлено, что необходимо осуществлять нагрев образца стали указанного химического состава до температуры 745°С и обеспечить выдержку при этой температуре в течение ~3 мин, а затем осуществлять охлаждение в расплаве селитры с температурой 443°C в течение не менее 10 секунд, а последующее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до указанной температуры, дали выдержку при этой температуре и осуществляли ее охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава селитры с температурой 443°C и технической воды. Время сорбитизации в технологическом цикле в результате этого составило 10 с. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показали, что объемная доля сорбита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 11. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное конечное структурное состояние: ~50% сорбита, за короткие технологические времена сорбитизации, ~50% закалочных структур (рутита).
Для определения режимов реализации маринита для стали указанного химического состава экспериментальным путем образцы нагревали до различных температур в диапазоне от 700 до 800°C (с шагом 10°С), выдерживали при этих температурах в течение от 1 до 10 мин с шагом 10 с и подвергали закалке в воде. После чего образцы исследовались различными известными методами. В образцах, закаленных от температуры нагрева 720-740°C и времени выдержки при них 2 мин 30 с - 3 мин, наблюдались структурные особенности, свойственные рутиту: ОЦТ области с аномально низкой тетрагональностью (около 0,5%) и твердостью ~750 HV. Следовательно, в исследуемой области температур при осуществлении соответствующих термокинетических условий в стали 85 реализовывался маринит. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита, необходимо при температуре ~730°C обеспечить выдержку ~2 мин 50 с.
Зная условия формирования маринита, осуществляли экспериментальное определение кинетики образования заданного конечного структурного состояния по методике, указанной в примере 3. В результате эксперимента было установлено, что для формирования ~50% перлита (сорбита) необходимо обеспечить пребывание образцов в расплаве селитры в течение 6 с и последующую закалку в воде. В не превращенном в сорбит объеме образца (~50%) наблюдались структурные особенности, свойственные рутиту: ОЦТ области с аномально низкой тетрагональностью (около 0,5%) и твердостью ~750 HV.
Таким образом, было установлено, что необходимо осуществлять нагрев образца стали указанного химического состава до температуры 730°C и обеспечить выдержку при этой температуре в течение ~2 мин 50 с, затем осуществлять охлаждение в расплаве селитры с температурой 443°C в течение 6 секунд, а последующее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей закалке в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до указанной температуры, давали выдержку при этой температуре и осуществляли ее охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава селитры с температурой 443°C и технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показали, что объемная доля сорбита составляет ~50%, а объемная доля закалочных структур (рутита) ~50%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 12. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% рутита.
Режимы, обеспечивающие в стали указанного химического состава реализацию маринита, определялись сначала расчетным путем, а затем уточнялись по экспериментальной методике, как это описано в примере 10.
Зная условия реализации маринита, осуществляли закалку образца от температуры нагрева, равной 745-750°С, и выдержке при этой температуре в течение 2 мин 45 с, обеспечивая формирование рутита.
Таким образом, было установлено, что необходимо осуществлять нагрев образца стали указанного химического состава до температуры 745-750°C и обеспечить выдержку при этой температуре в течение 2 мин 45 с, а последующее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до указанной температуры, давали выдержку при этой температуре и осуществляли ее быстрое охлаждение (закалку). Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля рутита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 13. Была поставлена задача получить для прутка диаметром 8 мм из стали марки 85, имеющей состав: 0,84% C; 0,59% Mn; 0,025% S; 0,24% Si; 0,012% P; 0,07% Cr; 0,08% Ni; 0,0075% Al; 0,05% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~100% сорбита; за технологические времена сорбитизации, не превышающие 2 с.
Режимы, обеспечивающие в стали указанного химического состава реализацию маринита, определялись по экспериментальной методике, указанной в примере 11. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита, необходимо при температуре ~745°C обеспечить выдержку ~3 мин.
-1
Kфер
Kфер
После реализации маринита образец стали указанного химического состава сначала подвергали пластической деформации при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температурах деформирования t±50°C, где t, °C - температура точки Кюри феррита, при температуре 745°C в данном случае, а затем осуществляли импульсное охлаждение однократным водным импульсом длительностью 0,2 с. Импульс такой длительности обеспечивал максимальное снижение температуры поверхности и не приводил к образованию закалочных структур в заданном структурном состоянии. После этого импульсное охлаждение прекращали и переходили к монотонному охлаждению в расплаве селитры с температурой 443°С. Время протекания перлитного превращения в указанном способе составило 1 с. Затем осуществляли быстрое охлаждение в воде (закалку).
-1
Таким образом, было установлено, что необходимо осуществлять нагрев образца стали указанного химического состава до температуры 745°C и обеспечить выдержку при этой температуре в течение ~3 мин, в течение или после которой осуществлять пластическую деформацию образца при величине относительной деформации поверхностного слоя 23% и скорости деформации 0,2 с при температуре 745°C, затем осуществлять охлаждение однократным водным импульсом продолжительностью 0,2 с с последующим охлаждением в расплаве селитры с температурой 443°C в течение 1 секунды, а дальнейшее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали марки 85 в виде прутка нагревали до указанной температуры, давали выдержку при этой температуре, осуществляли ее деформацию и охлаждение по указанным траекториям. Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели расплава селитры с температурой 443°C и технической воды. Время сорбитизации в технологическом цикле в результате этого составило 1 с. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показали, что объемная доля сорбита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 14. Была поставлена задача получить для пластины размерами 8×30×150 мм из сплава железа с углеродом, имеющего состав: 3,62% C; 0,01% Si; 0,01% Mn; 0,002% S; 0,004% P; 0,01% Cr; 0,05% Ni; 0,005% Cu; 0,024% Al; 0,039% Ti; 0,0015% Mo, остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~15% рутита, ~85% ледебурита и цементита. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 810°C и обеспечивали выдержку ~3 мин, когда образовалось ~15% аустенита.
Режимы снижения температуры, обеспечивающие реализацию в указанном сплаве заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, определялись по указанной в примере 3 экспериментальной методике. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~15% маринита, необходимо осуществить охлаждение на воздухе до температуры 720°C.
Зная условия формирования маринита, осуществляли закалку образца от определенных выше температур, обеспечивая формирование рутита.
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 810 до 720°C необходимо осуществлять охлаждение на воздухе, а дальнейшее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из сплава указанного химического состава в виде пластины нагревали до температуры 810°C и обеспечивали выдержку ~3 мин, подвергали охлаждению на воздухе до температуры 720°С и осуществляли ее быстрое охлаждение (закалку). Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля рутита составляет ~15%, а объемная доля ледебурита и цементита ~85%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 15. Была поставлена задача получить для пластины размерами 8×30×150 мм из сплава железа с углеродом, имеющего состав: 2,47% C; 0,02% Si; 0,023% Mn; 0,003% S; 0,001% P; 0,005% Cr; 0,02% Ni; 0,002% Cu; 0,035% Al, остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное конечное структурное состояние: ~55% рутита, ~45% ледебурита и цементита.
Режимы, обеспечивающие в сплаве указанного химического состава реализацию маринита, определялись по указанной в примере 11 экспериментальной методике. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~50% маринита, необходимо при температуре ~750°С обеспечить выдержку ~4 мин.
Зная условия формирования маринита, осуществляли закалку образца от определенных выше температур, обеспечивая формирование рутита.
Таким образом, было установлено, что необходимо осуществлять нагрев образца сплава указанного химического состава до температуры ~750°С и обеспечить выдержку при этой температуре в течение ~4 мин, а последующее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей закалке в воде. После этого заготовку из сплава указанного химического состава в виде пластины нагревали до указанной температуры, давали выдержку при этой температуре и осуществляли ее быстрое охлаждение (закалку). Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля рутита составляет ~55%, а объемная доля ледебурита и цементита ~45%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 16. Была поставлена задача из слитка цилиндрической формы диаметром 50 мм и высотой 20 мм получить пластину размерами 8×30×150 мм из стали, имеющей состав: 1,76% C; 0,035% Si; 0,01% Mn; 0,009% S; 0,013% P; 0,01% Cr; 0,04% Ni; 0,09% Cu; 0,004% Al; 0,015% V, остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное конечное структурное состояние: ~85% рутита, ~15% цементита.
Режимы, обеспечивающие в стали указанного химического состава реализацию маринита, определялись сначала расчетным путем, а затем уточнялись по указанной в примере 10 экспериментальной методике. Как показал эксперимент, чтобы реализовать в слитке ~70% маринита, необходимо при температуре его поверхности ~770°C обеспечить выдержку ~3 мин.
Затем слиток сплава указанного химического состава подвергали пластической деформации. В данном случае его ковали в температурном интервале 770-750°C, обеспечивая заготовке форму пластины указанного типоразмера.
Зная условия формирования маринита, осуществляли закалку образца от определенных выше температур, обеспечивая формирование рутита.
Таким образом, было установлено, что необходимо осуществлять нагрев слитка стали указанного химического состава до температуры его поверхности ~770°C и обеспечить выдержку при этой температуре в течение ~3 мин, затем осуществлять пластическую деформацию слитка в температурном интервале 770-750°С до придания ему формы пластины размерами 8×30×150 мм, а последующее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей закалке в воде. После этого заготовку из сплава указанного химического состава в виде слитка цилиндрической формы диаметром 50 мм и высотой 20 мм нагревали до указанной температуры, давали выдержку при этой температуре, осуществляли деформацию в указанном интервале температур и быстрое охлаждение (закалку). Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показали, что объемная доля рутита составляет ~85%, а объемная доля цементита ~15%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 17. Была поставлена задача получить для пластины размерами 0,6×20×60 мм из стали марки 65Г, имеющей состав: 0,64% C; 0,26% Si; 0,96% Mn; 0,006% S; 0,018% P; 0,03% Cr; 0,03% Ni; 0,05% Cu; 0,01% As; 0,05 N; 0,047% Al; 0,001% Nb; 0,015% V; 0,005% Ti; 0,002% Mo, остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное структурное состояние: ~90% рутита; ~10% мартенсита. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 980°C, когда произошло исчезновение феррита и цементита и образовалось ~100% аустенита.
Режимы, обеспечивающие в стали указанного химического состава реализацию маринита, определялись экспериментально. Для этого проводились эксперименты по охлаждению образцов пластин указанных размеров потоками сжатого воздуха, имеющего температуру 23°C, выпускаемого форсункой с диаметром выходного отверстия 6 мм под различным давлением в магистрали, до комнатной температуры. Шаг изменения давления составлял 0,3 атм из диапазона 2,5-8 атм. При этом фиксировалась средняя скорость охлаждения в температурном диапазоне 900-600°C. После чего образцы исследовались различными известными методами. В образцах, охлажденных в температурном диапазоне 900-600°C со средней скоростью 50-70 град/с и закаленных от 600°C в воде, наблюдались структурные особенности, свойственные рутиту: ОЦТ области с аномально низкой тетрагональностью (около 0,5%) и твердостью ~750 HV. Следовательно, при осуществлении указанных условий охлаждения в образцах из стали 65Г реализовывался маринит. Эксперименты показали, что если охлаждение от 600°C продолжать, используя те же параметры обдува и уставки агрегатов (давление в магистрали, диаметр сопла, скорость потока, температура воздуха), что и в диапазоне 900-600°C, средняя скорость охлаждения в котором составляла 50-70 град/с, то это обеспечит формирование ~90% рутита в конечном структурном состоянии.
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 980°C до комнатной температуры необходимо осуществлять охлаждение потоками сжатого воздуха, имеющего температуру 23°C, выпускаемого под постоянным давлением в магистрали 4 атм, обеспечивая среднюю скорость охлаждения пластины 50-70 град/с в температурном диапазоне 900-600°C и дальнейшее охлаждение, используя те же параметры обдува. После этого заготовку из стали марки 65Г в виде пластины нагревали до температуры 980°C и осуществляли ее охлаждение сжатым воздухом с указанными параметрами обдува. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля рутита составляет ~90%, а объемная доля мартенсита ~10%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 18. Была поставлена задача получить для проволоки диаметром 1,0 мм из стали марки 80, имеющей состав: 0,82% C; 0,50% Mn; 0,002% S; 0,16% Si; 0,005% P; 0,02% Cr; 0,01% Ni; 0,002% Al; 0,01% Cu; остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное конечное структурное состояние: ~100% сорбита, за технологические времена сорбитизации, не превышающие 5 с.
Режимы, обеспечивающие в стали указанного химического состава реализацию маринита, определялись по указанной в примере 11 экспериментальной методике. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~100% маринита, необходимо нагреть заготовку до температуры ~740°C и обеспечить выдержку при ней в течение 45 с.
Зная условия формирования маринита, осуществляли определение кинетики образования заданного конечного структурного состояния по указанной в примере 3 экспериментальной методике. В результате эксперимента было установлено, что для формирования ~100% перлита (сорбита) необходимо обеспечить охлаждение проволоки диаметром 1,0 мм на воздухе. Время сорбитизации при этом составило около 4 с.
Таким образом, было установлено, что необходимо осуществлять нагрев образца стали указанного химического состава до температуры 740-750°C и обеспечить выдержку при этой температуре в течение 45 с, затем осуществлять охлаждение на воздухе. После этого проволоку диаметром 1,0 мм из стали марки 80 нагревали до указанной температуры, давали выдержку при этой температуре и осуществляли ее охлаждение на воздухе в течение не менее 4 с. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показали, что объемная доля сорбита составляет ~100%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Пример 19. Была поставлена задача из заготовки размерами 14,2×200×1320 мм получить полосу размерами 12,5×200×1500 мм из стали, имеющей состав: 0,21% C; 0,01% Si; 0,39% Mn; 0,032% S; 0,016% P; 0,08% Cr; 0,07% Ni; 0,06% Cu; 0,005% Al, остальное Fe и неконтролируемые примеси, следующее заданное конечное структурное состояние: ~15% рутита, ~85% феррита. Для этого заготовку нагревали до экспериментально установленной температуры 950°C, когда произошло исчезновение феррита и цементита и образовалось ~100% аустенита.
Режимы снижения температуры, обеспечивающие реализацию в указанном сплаве заданной доли маринита из областей аустенита с химическим составом, близким к эвтектоидному, определялись по указанной в примере 3 экспериментальной методике. Как показал эксперимент, чтобы реализовать ~15% маринита, необходимо осуществить охлаждение образца стали указанного химического состава на воздухе до температуры 740°C, подвергнуть его импульсу пластической деформации при величине относительной деформации 6,34% при температурах деформирования 740-760°C; выдержке при этих температурах в течение 60 с и повторному импульсу деформирующего воздействия при величине относительной деформации 6%.
Зная условия формирования маринита, осуществляли закалку образца от определенных выше температур, обеспечивая формирование рутита.
Таким образом, было установлено, что в температурном интервале от 950 до 740°C необходимо осуществлять охлаждение на воздухе, затем осуществлять импульс пластической деформации при величине относительной деформации 6,34% при температурах деформирования 740-760°C; выдержку при этих температурах в течение 60 с и повторный импульс деформирующего воздействия при величине относительной деформации 6,34%, а дальнейшее охлаждение до комнатной температуры вести со скоростью снижения температуры поверхности 90-110 град/с, соответствующей охлаждению в воде. После этого заготовку из стали указанного химического состава в виде полосы размерами 14,2×200×1320 мм нагревали до температуры 950°C, подвергали охлаждению на воздухе до температуры 740°C, прокатывали на лабораторном прокатном стане в указанном температурном интервале с абсолютным обжатием 0,9 мм, обеспечивая импульс пластической деформации требуемой степени, выдерживали при этих температурах в течение 60 с, осуществляли еще один проход с абсолютным обжатием 0,8 мм (повторный импульс деформации), обеспечивая достижение требуемого типоразмера полосы и быстрое охлаждение (закалку). Охлаждение осуществлялось с использованием для этой цели технической воды. Металлографический анализ и дифракционные исследования образца заготовки, охлажденного до комнатной температуры, показал, что объемная доля рутита составляет ~15%, а объемная доля феррита ~85%, что соответствует заданному структурному состоянию. Требуемый технический результат достигнут.
Список литературы
1. RU 2044779.
2. RU 2272080.
3. RU 2266966.
4. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978.
5. Wasserman E.F., In: Ferromagnetic Materials, ed. by K.L.J. Buschow and E.P.Wohlfarth (North Holland, Amsterdam, 1990), vol.5, p.237.
6. Rietveld H.M., J. Appl. Cryst. 1969. V.2. P.65.
7. Kohn W., Sham L.J., Phys Rev 1965, V.140, Р. А1133.
8. Kaufman L., Clougherty E.V., Weiss R.J., Acta Met 1963, V.11, P.323.
9. M.Acet, H.Zahres, B.F.Wasserman, Phys. Rev. В, v.49, p.6012 (1994).
10. A.I.Liechtenstein, M.I.Katsnelson, V.Р.Antropov, and V.A.Gubanov, JMMM, V.67, P.65 (1987).
11. S.V.Okatov, A.R.Kuznetsov, Yu.N.Gornostyrev, V.N.Urtsev, M.I.Katsnelson, Phys. Rev. В, v.79, p.094111 (2009).
12. Boukhvalov D.W., Gornostyrev Yu.N., Katsnelson M.I., Lichtenstein A.I. // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol.99. P.247205.
13. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977.
14. Зюзин В.И., Терских С.А., Евтеев Е.А. Особенности сорбитизации катанки с прокатного нагрева и свойства проволоки из нее. Техническая информация. - Белорецк, 2001.
15. Алексеев Ю.Г, Кувалдин Н.А. Металлокорд для автомобильных шин. - М.: Металлургия, 1992.
16. Урцев В.Н., Горностырев Ю.Н., Кацнельсон М.И., Шмаков А.В., Королев А.В., Дегтярев В.Н., Мокшин Е.Д., Воронин В.И. Взаимосвязь магнитных и решеточных степеней свободы в системе Fe-C. // Сталь. 2010. №7. С.101-106.