Патент на изобретение №2395590

(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОТИВОФЛОКЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОКОВОК

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии термической противофлокенной обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых и легированных сталей. Для оптимизации продолжительности термической обработки поковок с учетом конкретного химического состава стали и степени ее легированности осуществляют охлаждение поковок на воздухе после ковки до температуры 250-350°С, нагрев поковок в печи до 660-700°С, выдержку с продолжительностью в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле и охлаждение со скоростью 5-20°С/ч до температуры 240-260°С, при этом выдержку поковок проводят в зависимости от степени легированности стали, при этом продолжительность выдержки определяют по уравнению: =0,186·К·R²/D_н·ln[1,596·C^o_н/С^к_н], где С^о_н, С^к_н – начальная и конечная концентрация водорода в металле поковок, соответственно, %, R – радиус поковки, см, К – коэффициент, учитывающий расположение флокенов по сечению поковки: для средне- и высоколегированных сталей К=1, для углеродистых и низколегированных сталей К=2/3, D_н – коэффициент диффузии водорода в поковке, см²/ч, определяемый:

С_с, C_i – концентрация углерода и легирующих элементов, мас.%, µ_i, _i – параметры для расчета влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии водорода, Т – температура поковки, °С, n – число компонентов стали. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии термической противофлокенной обработки крупногабаритных изделий, в том числе поковок из углеродистых и легированных сталей.

Известен способ термической обработки изделий большого сечения, включающий нагрев поковки до температуры 650°С и выдержки при этой температуре в течение 200 часов [1]. Недостатком способа является большая продолжительность ПФО.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ термической противофлокенной обработки поковок для снижения содержания водорода в стали, включающий охлаждение после ковки на воздухе до температуры 250-350°С, нагрев поковок в печи ведут до 660-700°С, выдержку проводят с продолжительностью в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле, а охлаждение поковок осуществляют со скоростью 5-20°С/ч до 240-260°С [2].

Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности определить продолжительность выдержки поковок в зависимости от химического состава стали и степени ее легированности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является оптимизация продолжительности термической обработки поковок с учетом конкретного химического состава стали и степени ее легированности.

Поставленная задача достигается за счет того, что тем, что предлагается способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение поковок на воздухе после ковки до температуры 250350°С, нагрев поковок в печи до температуры 660700°С, выдержку с продолжительностью в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле и охлаждения со скоростью 520°С/ч до температуры 240260°С, причем выдержку поковок производят в зависимости от степени легированности стали, при этом продолжительности выдержки определяют по уравнению:

где – начальная и конечная концентрация водорода в металле поковок, соответственно, %;

R – радиус поковки, см;

К – коэффициент, учитывающий расположение флокенов по сечению поковки,

для средне- и высоколегированных сталей К=1,

для углеродистых и низколегированных К=2/3;

0,186 – теоретический коэффициент;

1,596=A₁ – коэффициент для первого члена бесконечного ряда функции Бесселя;

D_н – коэффициент диффузии водорода в металле поковок, см²/ч, определяемый зависимостью:

где C_c, C_i – концентрация углерода и легирующих элементов, %;

µ_i, _i – параметры для расчета влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии водорода (см. табл.);

Т – температура поковок, °С;

2,28·10^-4 – коэффициент диффузии водорода в железе при температуре отжига 680°С, см²/ч;

n – число компонентов в многокомпонентной системе;

=-0,16 – параметр (табл.), отражающий влияние углерода на коэффициент диффузии водорода;

1359=E/R – коэффициент, равный отношению энергии активации Е к универсальной газовой постоянной R.

Уравнение (1) получено [7] при решении дифференциального уравнения диффузии:

для случая бесконечного по длине цилиндра радиусом R и симметричной диффузии в среде с фиксированной и постоянной температурой. Здесь r – радиус точки в поковке, для которой рассчитывается концентрация.

Решение уравнения (3) получено в форме бесконечного ряда. Ограничившись только первым членом, найдем:

где – функция Бесселя нулевого порядка, если рассматривать только центр поковки (r=0), то J₀(0)=1 и уравнение (4) будет иметь вил:

где A₁=1,596 – коэффициент для первого члена бесконечного ряда.

После подстановок и преобразований получим уравнение (1), физический смысл которого состоит в том, что – это время, необходимое для уменьшения концентрации водорода от начального до некоторого конечного , безопасного в отношении образования флокенов, при этом для средне- и высоколегированных сталей путь диффузии водорода равен радиусу поковки, т.к. флокены в таких сталях располагаются по всему сечению поковки, а для углеродистых и низколегированных – только 2/3R, т.к. именно на этом участке сечения поковки преимущественно располагаются эти дефекты.

Водород удаляется из поковки при ПФО в диффузионном режиме. Скорость диффузии принято характеризовать коэффициентом диффузии D, который зависит от температуры, энергии активации Е и состава сплава.

Разложив функцию

в ряд Тейлора по параметру концентрации С и ограничившись двумя первыми членами ряда, получим уравнение, позволяющее рассчитать коэффициент диффузии водорода в предположении, независимого воздействия каждого i-го компонента в многокомпонентном сплаве [8] чистого железа

и с учетом содержания углерода в железе

где – по данным [4];

D₀=9,4·10^-4 – предэкспоненциальный множитель в уравнении для коэффициента диффузии [4].

Параметры для расчета влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии водорода в сплавах железа, данные о коэффициентах _i и µ_i представлены в таблице 1.

Подставив сумму , отражающую влияние всех легирующих элементов стали, по уравнению (8) можно определить коэффициент диффузии водорода в легированной стали, а затем по уравнению (1) – продолжительность выдержки поковки в печи в зависимости от степени легирования стали.

Таблица 1
Легирующий элемент		µ	Параметр	Источник
С	-0,16	–	-0,16	3
Si	0,056	0,0935		6
Mn*	-0,013	–	-0,013	3,5
Ni	-0,049	-0,022		4
Сr	-0,011	–	-0,011	3
Мо*	-0,02	–	-0,02	5
V*	-0,04	–	-0,04	5
* – оценки сделаны по данным для жидких сплавов.

Примеры осуществления способа

1. В термической печи производится термическая противофлокенная обработка поковки диаметром 500 мм из стали марки 40ХГМН. Исходное содержание водорода 0,00025%. Температура в печи – 680°С (953 К). Конечное содержание водорода в поковке для исключения образования флокенов – 0,00020%. Химический состав стали: 0,4% С; 0,3% Si; 1,0% Cr; 0,6% Mn; 0,2% Мо; 0,15% Ni.

Так как сталь среднелегированная – К=1.

Продолжительность выдержки поковок:

2. При тех же условиях производится термическая противофлокенная обработка поковок из стали 20Г. Химический состав стали: 0,2% С; 0,3% Si; 1,0% Mn. Так как сталь низколегированная, то применяем К=2/3.

Продолжительность выдержки поковок:

Параметры ПФО по предлагаемому и известным способам приведены в табл.2

Предлагаемый способ термической противофлокенной обработки позволяет оптимизировать продолжительность ПФО поковок из стали разной степени легированности, сократить время ПФО, пропорционально этому времени увеличить производительность термических печей и сократить расход топлива на обработку единицы массы продукции.

Источники информации

1. Башнин Ю.А., Цурков В.Н., Коровина В.М. Термическая обработка крупногабаритных изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах. – М.: Металлургия, 1985. – 176 с.

2. Патент РФ 2252268. Бюл. 14, 20.05.2005 г.

3, С.39-43.

4. Гельд П.В. и др. Водород и несовершенство структуры металла. – М.: Металлургия, 1979. – 219 с.

5. Линчевский Б.В. Термодинамика и кинетика взаимодействия газов с жидкими металлами. – М.: Металлургия, 1986. – 222 с.

6. Водородопроникаемость высокотемпературных конструктивных материалов. НИИ ИНФОРМЭНЕРГОМАШ, вып.2. – М., 1985, С.-50.

1, С.44-47.

3, С.3-5.

Формула изобретения

Способ термической противофлокенной обработки поковок, включающий охлаждение поковок на воздухе после ковки до температуры 250-350°С, нагрев поковок в печи до 660-700°С, выдержку с продолжительностью в зависимости от диаметра поковки и исходного содержания водорода в металле и охлаждение со скоростью 5-20°С/ч до температуры 240-260°С, отличающийся тем, что выдержку поковок проводят в зависимости от степени легированности стали, при этом продолжительность выдержки определяют по уравнению:

где – начальная и конечная концентрация водорода в металле поковок соответственно, %;
R – радиус поковки, см;
К – коэффициент, учитывающий расположение флокенов по сечению поковки: для средне- и высоколегированных сталей К=1, для углеродистых и низколегированных сталей К=2/3;
D_н – коэффициент диффузии водорода в поковке, см²/ч, определяемый:

С_с, С_i – концентрация углерода и легирующих элементов, %;
µ_i, _i – параметры для расчета влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии водорода;
Т – температура поковки,°С;
n – число компонентов стали;