RU2005799C1 - Method of heat treatment of stainless steels - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: the method improves strength, plastic and impact strength of steels. Steel 30x13 is annealed at 750 deg C, cooled in a furnace to 500 deg C and then in the air. Steel is subjected to high-temperature hardening and heated to 1200 deg C in a salt bath at a rate of 20 deg C/S and cooled in oil and then subjected to low- temperature tempering at 200 deg C. EFFECT: improved properties of stainless steels. 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам закалки нержавеющих сталей. The invention relates to metallurgy, in particular to methods for hardening stainless steels.

Известны способы высокотемпературной закалки инструментальных сталей, включающие нагрев под закалку в соляных ваннах с одним или двумя подогревами. При этом в известных способах нагрев под закалку инструмента, в частности из быстрорежущих сталей, осуществляется до температур 1200-1280^оС, после чего следует выдержка для растворения специальных карбидов и выравнивания химсостава аустенита. Время нагрева согласно известным данным составляет 8-10 с на 1 мм диаметра изделия, а время выдержки для изделий диаметром 5-7 мм составляет 4-5 ми. Таким образом суммарное время нагрева и выдержки в соляных ваннах для изделий указанных размеров без учета подогревов должно составлять 5-7 мин. После такой высокотемпературной закалки обязательно следует трех-пятикратный отпуск для разложения остаточного аустенита и вторичного твердения. Вместе с тем известные способы не позволяют одновременно повышать прочностные, пластические свойства и ударную вязкость сталей.Known methods of high-temperature hardening of tool steels, including heating by hardening in salt baths with one or two heaters. In the known methods of heating for quenching a tool, in particular high-speed steels, is carried out to temperatures of 1200-1280 ^{° C,} followed by exposure to the dissolution of special carbides, and alignment of the chemical composition of the austenite. According to known data, the heating time is 8-10 s per 1 mm of the product diameter, and the holding time for products with a diameter of 5-7 mm is 4-5 mi. Thus, the total heating and aging time in salt baths for products of the indicated sizes without taking into account heating should be 5-7 minutes. After such a high-temperature hardening, three to five-fold tempering necessarily follows for the decomposition of residual austenite and secondary hardening. However, the known methods do not simultaneously increase the strength, plastic properties and toughness of steels.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ термической обработки изделий, преимущественно из нержавеющих сталей. The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of heat treatment of products, mainly from stainless steels.

Способ включает скоростной высокотемпературный нагрев под закалку на установке ТВЧ до температур на 370-450^оС выше т. Aс₃, т. е. до 1320-1400^оС в течение 17-19 с (для деталей диаметром 6 мм). Однако для осуществления известного способа требуется специальное оборудование (установка ТВЧ), он не применим для изделий сложной конфигурации. Кроме того нагрев ТВЧ должен обеспечивать сквозной прогрев деталей, что не всегда возможно на указанных высокочастотных установках.The method includes the high-speed heating for quenching installation for HDTV to temperatures above 370-450 ^C m. Ac _3, v. E. Up to 1320-1400 ° ^C for 17-19 sec (for details diameter 6 mm). However, for the implementation of the known method requires special equipment (installation of high frequency), it is not applicable for products of complex configuration. In addition, the heating of the HDTV should provide for through heating of the parts, which is not always possible at these high-frequency installations.

Предлагаемый способ упрощает технологию термообработки, повышает прочностные, пластические свойства и ударную вязкость деталей из нержавеющих сталей практически любой конфигурации за счет получения мелкозернистой дисперсной гетерогенной смеси, состоящей из мартенсита, нерастворившихся карбидов и метастабильного остаточного аустенита. The proposed method simplifies the heat treatment technology, increases the strength, plastic properties and toughness of stainless steel parts of almost any configuration by producing a fine-grained dispersed heterogeneous mixture consisting of martensite, insoluble carbides and metastable residual austenite.

Это достигается тем, что в способе термообработки нержавеющих сталей, включающем отжиг, высокотемпературный нагрев, охлаждение и низкотемпературный отпуск, высокотемпературный кратковременный нагрев ведут со скоростью 20-30^оС/с до температур 1200-1300^оС.This is achieved by the fact that in the method of heat treatment of stainless steels, including annealing, high-temperature heating, cooling and low-temperature tempering, high-temperature short-term heating is carried out at a speed of 20-30 ^o C / s to temperatures of 1200-1300 ^o C.

Предварительный отжиг необходимо не только для разупрочнения сталей и улучшения обрабатываемости резанием, но и для получения феррито-карбидной механической смеси, состоящей из ферритной основы и равномерно распределенных карбидов хрома. Последующая высокотемпературная закалка из другого исходного структурного состояния указанного технического эффекта не вызывает. Preliminary annealing is necessary not only to soften the steels and improve machinability by cutting, but also to obtain a ferritic-carbide mechanical mixture consisting of a ferritic base and uniformly distributed chromium carbides. Subsequent high-temperature hardening from another initial structural state does not cause the indicated technical effect.

При последующем высокотемпературном кратковременном нагреве до температур 1200-1300^оС феррит превращается в аустенит. В связи с отсутствием выдержки растворение карбидов в аустените лишь только начинается, при этом исключается гомогенизация аустенита. Закалка в масло производится из своеобразного структурного состояния, представляющего гетерогенную смесь аустенита и частично растворенных карбидов хрома. Участки аустенита, располагающиеся вокруг карбидов, обогащаются углеродом и хромом, остальные места остаются обедненными этими элементами.During subsequent high-temperature short-time heating to temperatures of 1200-1300 ^C. ferrite is transformed into austenite. Due to the lack of aging, the dissolution of carbides in austenite is only just beginning, while the homogenization of austenite is excluded. Oil quenching is performed from a peculiar structural state, which is a heterogeneous mixture of austenite and partially dissolved chromium carbides. Sections of austenite located around carbides are enriched in carbon and chromium, other places remain depleted of these elements.

В процессе последующего охлаждения в масле обедненные участки аустенита превращаются в малоуглеродистый скрытокристаллический мартенсит с мелким зерном, армированный дисперсными равномерно распределенными полурастворенными карбидами. Вокруг них в основном сохраняется повышенное количество обогащенное углеродом и хромом метастабильного остаточного аустенита (20-28% ). Такая мелкозернистая структура обладает наряду с повышенной прочностью высокими пластичностью и вязкостью. Дополнительный вклад в повышение указанных свойств вносит превращение обогащенного аустенита в мартенсит в процессе деформации при испытании свойств, либо при эксплуатации деталей. During the subsequent cooling in oil, the depleted sections of austenite turn into low-carbon cryptocrystalline martensite with fine grain, reinforced with dispersed uniformly distributed semi-dissolved carbides. Around them, an increased amount of metastable residual austenite enriched in carbon and chromium (20-28%) is mainly preserved. Such a fine-grained structure has, along with increased strength, high ductility and viscosity. An additional contribution to the improvement of these properties is made by the conversion of enriched austenite to martensite during deformation during the testing of properties, or during the operation of parts.

Скорость, температура и время нагрева под закалку в заявляемом способе являются взаимосвязанными параметрами. Чем выше скорость нагрева, тем выше должен быть температурный интервал аустенизации, а чем выше температура, тем меньше требуется времени для получения гетерогенного состояния аустенита. The speed, temperature and heating time for hardening in the present method are interrelated parameters. The higher the heating rate, the higher the temperature range of austenitization should be, and the higher the temperature, the less time is required to obtain a heterogeneous state of austenite.

При скоростях нагрева, меньших 20^оС/с, в значительной степени развиваются диффузионные процессы, затрудняющие получение гетерогенного аустенита, что снижает свойства стали. При более высоких, чем 30^оС/с скоростях нагрева для получения указанного гетерогенного состояния аустенита требуется более высокий, чем 1200-1300^оС интервал температур, что технологически затруднено, так как требует специального оборудования (установки ТВЧ, электронагрев и т. д. ) и применимо лишь для деталей определенной формы. Скорость нагрева 20-30^оС/с соответствует нагреву в соляной ванне с температурой расплава 1200-1300^оС.At heating rates of less than 20 ^° C / s, diffusion processes develop to a large extent, making it difficult to obtain heterogeneous austenite, which reduces the properties of steel. At higher than 30 ^{° C} / s heating rate to produce said heterogeneous austenite state requires higher than 1200-1300 ^{° C} temperature range that is technologically complicated, since it requires special equipment (HDTV installation, electric heating and the like. D. ) and is applicable only to parts of a certain shape. The heating rate of 20-30 ^o C / s corresponds to heating in a salt bath with a melt temperature of 1200-1300 ^about C.

При температурах нагрева под закалку, меньших 1200^оС, и выбранных скоростях нагрева превращение феррита в аустенит полностью не завершается, вследствие чего снижаются прочностные свойства сталей. Нагрев до более высоких чем 1300^оС температур с указанными скоростями вызывает полное растворение карбидов, гомогенизацию аустенита, рост зерна, что снижает прочностные свойства и вязкость стали.At temperatures of heating for hardening, less than 1200 ^{° C,} and the selected heating rates transformation of ferrite to austenite is not fully completed, thereby decreasing the strength properties of steels. Heating to higher than 1300 ^{° C} temperature with the indicated velocities cause complete dissolution of carbides, homogenization austenite grain growth that reduces the strength properties and toughness of the steel.

Таким образом нагрев под закалку образцов из хромистых сталей, например диаметром 6 мм, с заданными температурно-скоростными параметрами для достижения указанного структурного состояния обеспечивается за 30-90 с вместо 5-6 мин по известной технологии. Thus, heating for quenching of samples of chromium steels, for example, with a diameter of 6 mm, with predetermined temperature and speed parameters to achieve the indicated structural state is provided for 30-90 s instead of 5-6 minutes by known technology.

Сопоставимый анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что предложенный способ термообработки хромистых сталей отличается от известного температурой и скоростью нагрева под закалку и проведением обязательной предварительной операции - отжига, а также возможностью обработки с помощью него деталей любой конфигурации. A comparable analysis of the proposed technical solution with the prototype shows that the proposed method of heat treatment of chromium steels differs from the known temperature and heating rate for quenching and the mandatory preliminary operation — annealing, as well as the possibility of processing parts of any configuration with it.

Анализ известных способов высокотемпературной закалки с нагревом в соляных ваннах показал, что высокотемпературная закалка в частности инструментальных быстрорежущих сталей известна. Однако ее проведение из феррито-карбидного структурного состояния (после отжига) без промежуточных подогревов и без выдержки при окончательном нагреве в сочетании с низкотемпературным (вместо высокотемпературного трех-пятикратного) отпуском, придает хромистым сталям новые качества, а именно повышение прочностных, пластических свойств и ударной вязкости. An analysis of the known methods of high-temperature hardening with heating in salt baths has shown that high-temperature hardening in particular of tool high-speed steels is known. However, its carrying out from the ferrite-carbide structural state (after annealing) without intermediate heating and without holding during the final heating in combination with low-temperature (instead of high-temperature three-five times) tempering gives new properties to chromium steels, namely, an increase in strength, plastic properties and impact viscosity.

Предложенный способ термообработки хромистых сталей опробован в условиях ПО "Азовмаш". Стандартные образцы для механических испытаний из хромистой стали 30Х13 (разрывные "гагаринские", ударные сечением 10 10 мм с U-образным надрезом, на кручение с диаметром рабочей части 6 мм) предварительно отжигали при 750-800^оС с охлаждением в печи до ≈500^оС, затем на воздухе. Высокотемпературную закалку осуществляли с нагревом в соляной ванне С-100, состава BaCl₂ до температур 1200-1350^оС в течение 20-360 с (со скоростью нагрева 20-30^оС/c) и охлаждением в масле. После этого проводили низкотемпературный отпуск при 200^оС 1 ч. Испытания механических свойств стали после термообработки по предложенному и известным способам проводили в лабораторных условиях Мариупольского металлургического института. Испытания на растяжение осуществляли на разрывной машине Р-4, на кручение - на машине КМ-50-1, на ударную вязкость - на маятниковом копре МК-30.The proposed method of heat treatment of chromium steels was tested in the conditions of the Azovmash software. Standard samples for mechanical tests made of chrome steel 30X13 (explosive "Gagarin", shock section 10 10 mm with a U-shaped notch, torsion with a diameter of the working part 6 mm) were preliminarily annealed at 750-800 ^о С with cooling in the furnace to ≈500 ^about C, then in the air. High temperature quenching was performed with heating in a salt bath C-100, the composition of BaCl ₂ to the temperature 1200-1350 ^{° C} for 20-360 sec (at a heating rate ^of 20-30 C / c) and by cooling in oil. This was followed by low temperature tempering at ²⁰⁰ ° C for 1 hour. The tests of the mechanical properties of the steel after heat treatment of the proposed and known methods were performed under laboratory conditions Mariupol Metallurgical Institute. Tensile tests were carried out on an R-4 tensile testing machine, torsion tests on a KM-50-1 machine, and impact strength on an MK-30 pendulum head.

Результаты механических испытаний приведены в таблице. The results of the mechanical tests are shown in the table.

Из таблицы следует, что после термообработки по предложенному способу с высокотемпературным нагревом в соляной ванне по оптимальному режиме прочностные характеристики (σ_в, σ_0,2, S_к, τ_n4, τ_0,3), пластичность ( δ, Ψ, g) и ударная вязкость (KCU) выше, чем после скоростной закалки по способу прототипа, и значительно выше, чем по стандартному режиму. (56) Геллер Ю. А. Инструментальные стали, М. : Металлургия. 1983, с. 211.It follows from the table that after heat treatment according to the proposed method with high-temperature heating in a salt bath according to the optimal mode, strength characteristics (σ _in , σ _0.2 , S _k , τ _n4 , τ _0.3 ), ductility (δ, Ψ, g) and impact strength (KCU) is higher than after high-speed quenching by the method of the prototype, and significantly higher than the standard mode. (56) Geller, Yu.A. Tool steel, M.: Metallurgy. 1983, p. 211.

Термическая обработка в машиностроении. Справочник. Под ред. Ю. М. Лахтина и А. Г. Рахштадта, с. 739-743, 744, 751, 755.  Heat treatment in mechanical engineering. Directory. Ed. Yu. M. Lakhtin and A. G. Rakhstadt, p. 739-743, 744, 751, 755.

Claims (1)

СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ, включающий отпуск, высокотемпературный нагрев, охлаждение и низкотемпературный отпуск, отличающийся тем, что высокотемпературный нагрев ведут со скоростью 20 - 30 град/c до 1200 - 1300^oС. METHOD FOR THERMAL TREATMENT OF STAINLESS STEELS, including tempering, high-temperature heating, cooling and low-temperature tempering, characterized in that high-temperature heating is carried out at a speed of 20-30 degrees / s to 1200 - 1300 ^o C.

Images