Вакуумный отжиг нержавейки

Высокотемпературная вакуумная закалка и цементация

До сих пор, на многих машиностроительных предприятиях, применяется классическая технология улучшения стальных изделий. Она представляет собой нагрев под закалку в окислительной или защитной атмосфере, охлаждение деталей в воде, масле или полимере и последующий отпуск в печах с окислительной атмосферой. На выходе получаются изделия с короблением поверхности до 0,2 мм. и чёрной пленкой, которая является результатом образования оксидов на металле. У таких деталей одна дорога — в цех механической доводки геометрии поверхностей. Избежать образования окислов на поверхности можно, используя защитные атмосферы эндо- и экзогаза, азота и др. Но коробление всегда будет являться обязательным атрибутом нагрева и закалки сталей.

Современные технологии позволяют значительно уменьшить изменения геометрических размеров поверхностей, используя более плавный нагрев деталей и используя в качестве закалочных сред более мягкие охладители. Это достигается при вакуумном нагреве с охлаждением в потоке газа.

Снижение давления до уровня ≤ 5 x 10−5 атм., приводит к тому, что количество оставшегося кислорода в рабочем пространстве печи снижается и нагрев в такой атмосфере происходит без образования окислов на поверхности деталей. Более высокой чистоты термообработки можно достичь при подготовке поверхности деталей — предварительном обжиге, для максимального удаления влаги с поверхности, если такая имеется. Для этого детали пропускают через печь предварительного окисления с температурой около 600 оС, когда еще обезуглероживание не начинается. Как правило, такая печь предусмотрена в линии вакуумной термообработки. Она имеет еще одно назначение — обезуглероживание поверхности перед цементацией. По утверждению зарубежных коллег, предварительное обезуглероживание поверхности стали увеличивает скорость цементации на несколько десятков процентов.

В вакууме теплообмен осуществляется за счет излучения, так называемый радиационный нагрев. Но он происходит эффективно лишь тогда, когда излучение становится видимым, т.е. при температурах, превышающих 600 оС. При более низких температурах для ускорения нагрева используют специальный газ-заполнитель рабочего пространства печи, например азот. При использовании такого газа, время нагрева сокращается на треть.

Использование газовой атмосферы в низкотемпературном интервале нагрева (конвективный нагрев) повышает однородность прогрева изделий, соответственно позволяет снизить уровень термических напряжений, вызывающих коробление. Кроме сокращения времени нагрева и снижения коробления, преимуществом использования конвективного нагрева является возможность применение более плотной загрузки, т.е. повышение производительности.

Также газ-заполнитель может использоваться в качестве закалочной среды и среды для отпуска, т.е. все операции закалки (нагрев под закалку и закалка) могут производиться на одном и том же технологическом оборудовании — вакуумной печи.

Вакуумные печи для отжига

В условиях вакуума возможно более быстрое достижение температуры кипения и плавления. Вакуумный отжиг происходит путем нагрева обрабатываемого сырья до критических точек температурного режима и выше них. После действия температуры в течение определенного времени производится плавное остужение детали. Такая обработка обуславливает равномерность структуры изделия не только снаружи, но и в сечении.

Отжиг способствует снижению показателя твердости материала, удалению напряжений, наклепа и химической неоднородности. Также повышаются показатели обрабатываемости сырья. В вакууме возможна процедура дегазации, которая обеспечивает улучшение всех характеристик заготовки. Вакуумные печи для отжига обеспечивают откачку воздуха в рабочем объеме, а также температурный режим от 700°С. Оборудование дополнительно оснащено специальным водяным охлаждением принудительного характера.

Высокотемпературная вакуумная закалка и цементация

При ТО и ХТО в углеродсодержащей среде при пониженном давлении не наблюдается окисления и обезуглероживания стали па протяжении всего цикла термической обработки; появ­ляется возможность значительного сокращения длительности про­цесса за счет активации поверхности и повышения температуры насыщения. Наиболее перспективна вакуумная ТО и ХТО для сталей с малой склон­ностью к росту зерна.

Технологическими параметрами процесса наряду с температуройт нагрева и длительностью выдержки является состав атмосферы и давление. Содержание углерода в цементованном слое регулируется цикличностью подачи цементирующего газа и парциальным давлением метана (газа – карбюризатора) в печи. Конкретные режимы подбирают в зависимости от марки стали и типа деталей.

Процесс цементации включает следующие этапы: загрузку деталей в вакуумную печь типа СНВ (состоящую из камеры цементации, охлаждения и встроенного закалочного бака) и создание вакуума 1 —10 Па, нагрев до заданной температуры (при цементации 1000-1100оС), выдержку для дегазации и активации поверхности деталей; подачу углеродсодержащего газа (метана) в случае цементации и выдержку деталей для прогрева и насыщения (при Ц); охлаждение садки в вакуумном масле или в азоте, разгрузку печи. Ускорение процесса при вакуумной цементации весьма значительно: слой 0,7—0,8 мм для стали 12ХНЗА достигается за 2,5 час.

Для вакуумной цементации не требуется газа-носителя (эндогаза, экзо-эндогаза), в печь подается только очищенный природный газ, реже пропан или бутан. Печи оснащены блоками подготовки и дозирования газов, контроля состава и парциального давления газов. Печи обеспечивают высокую скорость нагрева и охлаждения садки и возможность проведения процесса термообработки при сравнительно невысоком вакууме с нагревом до 22000С. В России вакуумные печи изготавливают конструкции ВНИИЭТО.

Процесс вакуумной цементации включает 2 периода:

1. Активный период насыщения (рис. 76), в течение которого в печь подают насыщающий газ до создания оптимального давления 1,3-104—3,9-104 Па. Для поддержания высокого углеродного потен­циала подачу газа производят в течение всего активного периода.

При отсутствии в атмосфере паров воды и СО2 насыщение происходит за счет реакции

В этот период концентрация углерода на поверхности достигает величины, близкой к пределу его растворимости в аустените при данной температуре.

2. Диффузионный период (диффузия в вакууме). В этот период прекращают подачу газа в камеру и печь вакуумируют (рис. 76). В процессе выдержки при температуре насыщения происходит диф­фузия углерода вглубь, а концентрация его на поверхности дости­гает оптимальной (0,8—1,0 %).

После окончания цементации садка охлаждается ниже эвтектоидной температуры АГ1

обычно до 500—600 °С (рис. 76). Для ускоре­ния охлаждения в печь подают азот, аргон или гелий до давления, близкого к атмосферному. Далее следует повторный нагрев до температуры закалки (рис. 76); закалка осуществляется путем погружения поддона с деталями в масляную закалочную ванну (рис. 75). После закалки следует отпуск при 180 °С рис. 76).

На ВАЗе для получения эффективной тол­щины 1,2 — 1,4 мм (до 0,4 % С) и концентрации углерода на поверх­ности 0,9% применяют режим: τ1= 30 мин Сг=1.4% и τ2= 50 мин при Сг=0.9%.

Процесс В ТО и Ц имеет ряд преимуществ: отсутствие газоприготовительных установок; сокращение длительности про­цесса за счет активации поверхности и более высокой температуры; получение светлой поверхности деталей после цементации; отсутствие кислородсодержащих компонентов в атмосфере исключает внутреннее окисление и обезуглероживание деталей; улучшение условий труда; уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа; большая мобильность оборудования (пуск и остановка занимают несколько минут); более высокая культура производства; лучшее проникновение газа-карбюризатора в отвер­стия малого диаметра, что обеспечивает равномерную цементацию внутренних полостей. Недостатком ВЦ является высокая стоимость оборудования.

К числу недостатков вакуумной цементации низколегированных конструкционных сталей относится сильное пересыщение поверхностного слоя углеродом (до 2,5—3,0 %) и образование большого количества карбидов Ме3

(С) по границам зерен или в виде пластинчатых выделений. В процессе диффузионной выдержки карбидные выделения не претерпевают изменения и снижают предел выносливости, но повышают износостойкость. Процесс ВЦ находит все более широкое применение, особенно на предприятиях с серийным производством.

Светлая закалка и цементация в кипящем слое

ТО и ХТО в псевдоожиженном слое. Высокий коэффициент массо- и теплопередачи, а также турбу­лентность смеси обеспечивают быстрый и равномерный нагрев и насыщение изделий. Скорость нагрева достигает 250—400 °С/мин. Для насыщения используют графит, уголь и другие углеродсодержащие вещества, в качестве инертной среды для формиро­вания «кипящего» слоя — шамот, кварцевый песок, окись алю­миния и др. Применяют также подачу природного газа (10—25 %).

Технологическими параметрами наряду с температурой и дли­тельностью процесса являются также скорость газа-носителя (азота, эндогаза), размер частиц, вид карбюризатора и коэффициент расхода первичного воздуха.

Кипящий слой представляет собой гетерогенную систему, в которой за счет проходящего потока газа (или вибрации) через слой мелких (0,05—0,20 мм) частиц (чаще корунда) создается их интенсивное перемешивание, что внешне напоминает кипящую жидкость.

Частицы корунда располагаются на газораспределительной решетке печи. При определенной скорости прохождения восходящего потока газа (выше критической скорости) частицы становятся подвижными и слой приобретает свойства жидкости (псевдоожиженный слой).

Установка состоит из генератора для получения эндогаза и рабочей зоны, где производится цементация. Как видно из рис. 79, через трубку 9

в эндогенератор, наполненный катализатором (ГИАП-3), поступает природный газ (метан) в смеси с воздухом (а = 0,26-О,27). В генераторе на газораспределительной решетке насыпается слой карборунда для улучшения подвода тепла от стенок в глубь катализатора. Рабочая зона заполнена корундом (размер частиц 100—120 мкм). Цементация проводится в атмосфере кипящего слоя, получаемого добавлением к эндогазу метана. Метан подводится через трубку
3.
Узел смешивания эндогаза с метаном
4
располагается между генератором и цементационной зоной.

Достоинствами процесса ТО и цементации в кипящем слое яв­ляются сокращение длительности процесса вследствие большой скорости нагрева и высокого коэффициента массоотдачи углерода, возможность регулирования угле­родного потенциала атмосферы в рабочей зоне печи, уменьшение деформации и ко­робления обрабатываемых деталей за счет равномерного распределения температуры по всему объему печи

Процесс ТО и цементации в кипящем слое может быть использован на заводах мел­косерийного и единичного производства, для замены соляных ванн.

Цементация в тлеющем разряде (ионная цементация).

Наиболее важны следующие ее преимущества:

1. Простота управления насыщением с помощью изменения электрических параметров тлеющего разряда состава газовой среды.

2. Сокращение длительности процесса в 2—3 раза по сравне­ нию с обычной газовой цементацией за счет интенсификации реакций взаимодействия на насыщаемой поверхности. При по­ вышении температуры продолжительность процесса сокращается еще более, при этом не наблюдается внутреннее окисление, отсут­ ствуют выделения сажи на деталях и в камере печи.

3. Уменьшается расход углеродсодержащих газов в 10 и бо­ лее раз.

Термообработка нержавеющей стали – особенности сложного процесса!

Термообработка нержавеющей стали – это специальное тепловое воздействие на металлическую основу с целью последующего изменения определенных свойств или структуры металла.

1 Отжиг стали 1 рода – важный этап термообработки

Отжиг металла включает в себя нагревание до определенной температуры, затем выдержку и обработку при той же заданной температуре и постепенное охлаждение. Такая процедура необходима для получения максимально эластичных свойств металла, а также получения полноценной, равновесной структуры и снижения первоначальных прочностных характеристик. Таким образом, процедура бывает двух родов. В первом случае обработка металла не несет в себе каких-либо существенных структурных потерь, во втором отжиг направлен на создание определенных свойств, на всех этапах и видах отжига остановимся подробнее далее в статье.

Гомогенизация стали – способ температурной обработки, при котором уменьшается химическая неоднородность металлических свойств. Так как полностью избавиться от неоднородности химического состава металла невозможно, приходится уменьшать ее с помощью специального этапа отжига. В течении длительного периода металл держат при высокой температуре, это способствует максимально высокому движению атомов кристаллической решетки, за счет чего (обычно в диапазоне 48-62 часов) химическая неоднородность выравнивается до необходимых норм.

Рекристаллизация – еще один способ обработки металла, при котором происходит его нагрев до высоких температур (выше температуры начала кристаллизации), а затем медленное и продолжительное охлаждение. Продолжительность подобной процедуры зависит от типа металла, его размеров и изначальных свойств. Как правило, среднее время рекристаллизации равно 2-2,5 часам. В результате такого отжига увеличивается пластичность металла и уменьшается его прочность, кроме того, это необходимо для предотвращения наклепа или нагартовки, которые ведут к полному разрушению металлических свойств.

Снятие внутреннего напряжения металла – этот этап применяется для снятия напряжения, которое возникло в процессе других типов обработки. Чаще всего следствием необходимости такого процесса является неравномерный нагрев или охлаждение детали, шлифовка, порезка, сварка.

Таким образом, внутренние напряжения, которые создаются в различных частях сплава, могут в итоге влиять на прочность нержавеющей стали и приводить к деформации и нарушению допустимых пределов использования. Снятие напряжения проводят при температурах существенно ниже порога начала кристаллизации, что обеспечивает равномерное распределение внутренней разрядки в металле. При обычной температуре добиться нормализации напряжения можно лишь за очень долгий промежуток времени.

2 2 род – создание структурного равновесия в металле

В отличии от процесса первого рода, в данном случае удается добиться полного изменения структурных свойств металлического сплава. При этом специалисты в термообработке различают два вида отжига второго рода – полный и частичный. Закалка – вид термической обработки, при котором сплав получает неравновесную структуру и максимально прочные свойства. При закалке происходит равномерное нагревание до высоких температур, затем обработка стали при этих же температурах и резкое, почти мгновенное охлаждение металла. Закалка может также быть двух видов – с полиморфным превращением и без такового.

В первом случае металл при обработке нагревается до температуры, при которой происходит замена типа кристаллической решетки на нужную в одном из основных легирующих элементов сплава. Во втором обработке подвергается металлический сплав с органическим сочетанием легирующих элементов одного в другом. Иногда подобный процесс также называется старением, и необходим он для получения равновесия в структуре сплава и необходимого уровня свойств.

Отпуск металлического сплава – еще один вид термообработки, который направлен на уменьшение напряжения с полиморфным превращением. Этот процесс необходим для придания металлу оптимального сочетания свойств пластичности и прочности. Различают четыре этапа в процессе отпуска, которые направлены на создание естественного или искусственного старения металла. Эти факторы напрямую влияют на характеристики прочности и твердости.

3 Химическая обработка и повышение коррозионной стойкости

Химическая обработка представляет собой одновременное воздействие на металл температуры среды и химических свойств с тем, чтобы влиять на поверхность детали. Как правило это либо повышение антикоррозионной защиты поверхности, либо создание специальных слоев, например, дополнительных износостойких или антифрикционных возможностей металла. При термомеханической процедуре происходит одновременная деформация и термическая обработка металла (например, ковка, закалка), что также влияет на конечные свойства металла, причем при термообработке можно добиться существенно лучших показателей, чем при обработке металла двумя способами по отдельности.

Чтобы повысить стойкость металлического сплава к коррозии межкристального типа, необходимо добавить дополнительные легирующие элементы в процессе термической обработки. Наиболее эффективными элементами в данном случае выступают Cr и Ni – свинец и никель соответственно. В процессе обработки антикоррозийная защита стали включает в себя такие виды работ, как:

• снижение содержание кристаллов азота и углерода в составе;
• введение дополнительных элементов (титан, свинец);
• отжиг металла;
• уменьшение времени охлаждения при термической обработке.

Самые распространенные и массово применяемые виды стали – хромистые. В них нет полиморфных превращений, что упрощает процесс их обработки. Поэтому чаще всего обработка таких сталей сводится либо к смягчению (отжиг) либо к упрочнению материала (закалка). Температура при этом выбирается в зависимости от желания производителя получить те или иные свойства в доминирующем виде. Температура в первом случае не должна превышать 900 градусов, а закалка и отпуск проводятся в печи при оптимальных температурах нагрева до 650 градусов.

Таким образом, термообработка стали является самым распространенным способом улучшения свойств сплава и придания ему необходимой формы и содержания. Изделия после термообработки применяются в различных областях строительства и промышленности. Кроме того, с ее помощью можно добиться увеличения срока службы стальной конструкции (антикоррозийное покрытие, механическая обработка). В зависимости от типа обработки и состава сплава различают и различные маркировки стали, по которым можно определить способ, которым она была обработана.

Отжиг, закалка и термическая обработка нержавеющей стали

Вас интересует термическая обработка, отжиг, закалка нержавеющей стали. Поставщик Авек Глобал предлагает купить нержавеющую сталь отечественного и зарубежного производства по доступной цене в широком ассортименте. Обеспечим доставку продукции в любую точку континента. Цена оптимальная.

Актуальность

Нержавеющая сталь обычно подвергаются термической обработке для снятия напряжений, упрочнения или с целью повышения пластичности. Термическая обработка осуществляется в контролируемых условиях, чтобы избежать науглероживания и обезуглероживания.

Отжиг

Отжиг используют для перекристаллизации структуры аустенитных нержавеющих сталей и стимуляции образования карбидов хрома, Кроме того, эта обработка устраняет напряжения, возникающие во время предшествующей обработки, и гомогенизирует сварные швы. Температура кратковременного отжига нержавеющих сталей выше 1040 °C, чтобы исключить рост зерна в структуре. Контролируемая температура отжига некоторых сплавов может быть более низкая, учитывая размер зерна.

Стабилизирующий отжиг

Его обычно проводят после обычного отжига. Стабилизация заключается в осаждении углерода в форме карбидов (чаще — ниобия и титана) в температурном диапазоне от 870 до 900°C) в течение 2−4 часов с последующим быстрым охлаждением. Все ферритные и мартенситные нержавеющие стали могут быть отожжены в диапазоне температур образования феррита, или при нагревании выше критической температуры в диапазоне аустенита.

Субкритический отжиг

Температура субкритического отжига от 760 до 830 °C. Мягкую структуру сфероидизированных и ферритовых карбидов можно получить путем охлаждения материала (до t° 25°С) в течение часа, или выдержкой материала в течение часа при температуре докритического отжига. Отожжённые детали, прошедшие холодную обработку, можно отжигать на докритических температурах.

Рекристаллизационный отжиг

Сорта ферритной стали во всем диапазоне рабочих температур требуют короткого рекристаллизационного отжига (температура от 760 до 955°C). Поставщик Авек Глобал предлагает купить нержавеющую сталь отечественного и зарубежного производства по доступной цене в широком ассортименте. Обеспечим доставку продукции в любую точку континента. Цена оптимальная.

Термообработка в контролируемой атмосфере

Контролируемые условия отжига позволяют уменьшить искажение формы. Эту обработку можно проводить в соляной ванне, но в основном предпочтителен отжиг, выполняемый в восстановительной среде,

Закалка

Как и низколегированные стали, мартенситные нержавеющие марки закаляют с одновременной аустенизацией. Температура аустенизации составляет от 980 до 1010 ° C. При температуре аустенизации 980 ° С, твердость вначале увеличивается, а затем падает. Процесс производится также с целью устранения возможного коррозионного растрескивания стали.

Отпуск

Мартенситные нержавеющие стали имеют высокое содержание сплавов и, следовательно, высокую прокаливаемость. Полная твердость может быть достигнута за счет воздушного охлаждения при температуре аустенизации, но для упрочнения больших участков может потребоваться закалка в масло. Закаленные компоненты должны быть отпущены сразу же после охлаждения на воздухе. В некоторых случаях компоненты перед обработкой охлаждают при -75°C. Закалка мартенситных сталей проводится при температурах выше 510 °C, а затем выполняется быстрое охлаждение сталей при температурах ниже 400 °C, чтобы избежать охрупчивания.

Купить. Поставщик, цена

Вас интересует термическая обработка, закалка нержавеющей стали. Поставщик Авек Глобал предлагает купить нержавеющую сталь отечественного и зарубежного производства по доступной цене в широком ассортименте. Обеспечим доставку продукции в любую точку континента. Цена оптимальная. Приглашаем к партнёрскому сотрудничеству.

Технология вакуумной термической обработки

До сих пор, на многих машиностроительных предприятиях, применяется классическая технология улучшения стальных изделий. Она представляет собой нагрев под закалку в окислительной или защитной атмосфере, охлаждение деталей в воде, масле или полимере и последующий отпуск в печах с окислительной атмосферой. На выходе получаются изделия с короблением поверхности до 0,2 мм. и чёрной пленкой, которая является результатом образования оксидов на металле. У таких деталей одна дорога — в цех механической доводки геометрии поверхностей. Избежать образования окислов на поверхности можно, используя защитные атмосферы эндо- и экзогаза, азота и др. Но коробление всегда будет являться обязательным атрибутом нагрева и закалки сталей.

Современные технологии позволяют значительно уменьшить изменения геометрических размеров поверхностей, используя более плавный нагрев деталей и используя в качестве закалочных сред более мягкие охладители. Это достигается при вакуумном нагреве с охлаждением в потоке газа.

Снижение давления до уровня ≤ 5 x 10 −5 атм., приводит к тому, что количество оставшегося кислорода в рабочем пространстве печи снижается и нагрев в такой атмосфере происходит без образования окислов на поверхности деталей. Более высокой чистоты термообработки можно достичь при подготовке поверхности деталей — предварительном обжиге, для максимального удаления влаги с поверхности, если такая имеется. Для этого детали пропускают через печь предварительного окисления с температурой около 600 о С, когда еще обезуглероживание не начинается. Как правило, такая печь предусмотрена в линии вакуумной термообработки. Она имеет еще одно назначение — обезуглероживание поверхности перед цементацией. По утверждению зарубежных коллег, предварительное обезуглероживание поверхности стали увеличивает скорость цементации на несколько десятков процентов.

В вакууме теплообмен осуществляется за счет излучения, так называемый радиационный нагрев. Но он происходит эффективно лишь тогда, когда излучение становится видимым, т.е. при температурах, превышающих 600 о С. При более низких температурах для ускорения нагрева используют специальный газ-заполнитель рабочего пространства печи, например азот. При использовании такого газа, время нагрева сокращается на треть.

Использование газовой атмосферы в низкотемпературном интервале нагрева (конвективный нагрев) повышает однородность прогрева изделий, соответственно позволяет снизить уровень термических напряжений, вызывающих коробление. Кроме сокращения времени нагрева и снижения коробления, преимуществом использования конвективного нагрева является возможность применение более плотной загрузки, т.е. повышение производительности.

Также газ-заполнитель может использоваться в качестве закалочной среды и среды для отпуска, т.е. все операции закалки (нагрев под закалку и закалка) могут производиться на одном и том же технологическом оборудовании — вакуумной печи.

Закалочные среды, используемые при вакуумной термообработке

В случае закалки, интенсивность охлаждения должна обеспечить требуемый уровень упрочнения с учётом легирования стали, размеров обрабатываемых изделий и их массой в загрузке. При этом коробления изделий должны быть минимальны.

Интенсивность охлаждения принято оценивать коэффициентом теплоотдачи α, имеющим размерность Вт/м 2 К (количество тепла, теряемых единицей площади поверхности, при снижении её температуры на один о К).

Коэффициенты теплоотдачи для разных закаливающих сред:

— Циркулирующий газ — 100-150 Вт/м 2 К

— Сжатый газ — до 1000 Вт/м 2 К

— Спокойное масло (80 о С) — 1000-1500 Вт/м 2 К

— Циркулирующее масло (80 о С) — 1800-2200 Вт/м 2 К

Возрастание коэффициента теплоотдачи, при использовании газа, может быть достигнуто за счёт увеличения давления охлаждающей среды. Конечно нужно понимать, что не все стали можно закалить газом. Вакуумное оборудование позволяет производить закалку как в потоке газа, так и в масле. При выборе охлаждающей среды следует учитывать взаимное расположение с-кривой стали и скорости охлаждения среды. Из-за того, что производители вакуумного термического оборудования не работают с водяными закалочными баками, все низкоуглеродистые стали, к сожалению, остаются «за бортом» высоких технологий вакуумной закалки. Конечно их можно упрочнить частичной закалкой в масле, но присутствие перлитных составляющих в структуре мартенсита не вызывает доверия к долговечной работе этих деталей.

Наиболее дешевой охлаждающей средой для вакуумной закалки является азот. Для проведения качественных процессов нагрева и закалки необходимо использовать азот повышенной чистоты. При циркуляции в рабочем пространстве со скоростью 60-80 м/с коэффициент теплоотдачи будет составлять примерно 350-450 Вт/м 2 K. Более высокий коэффициент теплоотдачи имеет гелий, но он имеет более высокую стоимость. Все применяемые при вакуумной закалке среды, можно расположить по мере возрастания охлаждающей способности следующим образом:

азот (1 атм) — азот (10 атм) — гелий (10 атм) — гелий (20 атм) — масло

Охлаждающая способность сжатых гелия и азота приближается к охлаждающей способности масла. Недостатком гелия является его высокая стоимость. Данная проблема решается использованием рациональных схем введения гелия в печь, в том числе предусматривающих многократное использование одних и тех же порций газа.

Подведем итог. Преимущества вакуумной термообработки на лицо: отсутствие окисления и обезуглероживания, снижение степени коробления деталей (даже при закалке в масле), высокая гибкость оборудования, увеличение производительности процесса, высокая экологичность и безопасность процессов, повышение культуры термических производств.

Способ отжига заготовок из нержавеющих сталей и сплавов

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«i>981396 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13. 05 ° 81(21) 3288785/22-02

С 21 D 1/773 с присоединением заявки ¹вЂ” (23) Приоритет—

СССР по делам изобретеиий и открытий

Опубликовано 15-1282 ° Бюллетень ¹ 46

Дата опубликования описания 15.12.82

)%3) УДК 621 785 ° .34.061(088.8) (12) Авторы изобретения

М. И. Тарасьев, В. В. Ярсыенко и

Днепропетр ский ордена Трудового (71) Заявитель металлургический институт (54) СПОСОБ ОТЖИГА ЗАГОТОВОК ИЗ НЕРЖАВЕЮЩИХ

CTAJIFA И СПЛАВОВ эффективность процесса вакуумного рафинирования в целом.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достига-. емому результату является способ термической обработки железохромистых сплавов, включающий высокотемпературный отжиг заготовок иэ высокохромистой нержавеющей стали в вакууме с окислительным потенциалом 0,100,25 мм рт. ст., создаваемыми за счет напуска углекислого газа . На этом этапе происходит обезуглероживание стали. По окончанию обеэуглероживающего отжига прекращают подачу окислителя и производят дополнительный отжиг при той же температуре

-Ъ и остаточном давлении 1 ° 10

1 — 10 е мм рт. ст. с целью ут жния азота, Недостатком известного способа является следующее. Выдержка в атмосфере с укаэанным окислительным потенциалом не может обеспечить максимальной скорости удаления углерода в течение всего обезуглероживающего отжига, что снижает производительность процесса в целом. Это связано с тем, что недостаток окислителя в газовой фазе, равно как и его избыток, окаэы,25

Изобретение относится к термической обработке, в частности, заготовок из нержавеющих сталей и сплавов.

В современной металлургии для повьхаения коррозионной стойкости и ударной вязкости нержавеющих сталей применяют термическую обработку в вакууме или контролируемых газовых средах. !О

Известен способ термической обработки включающий высокотемпературо ный (1300-1380 C) отжиг в вакууме в течение 8-20 ч с целью обезуглероживанияи дегазации и повышения тем самым эксплуатационных свойств.

В качестве источника окислителя, необходимого для успешного протекания процесса обезуглероживания, ис пользуют остаточную прокатную окалину либо газообразные окислители (например, CO ) (.1) .

Однако дегазация металла при этом протекает недостаточно эффективно, поскольку окисная пленка на поверхности металла в значительной степени затрудняет процесс десорбции азота. Толстая окисная пленка может неблагоприятно сказываться также и на ходе обезуглероживания, что снижает

f (: l; f ч ! н н н, Ъ:. с

Красног Зна йНЫЛ., д::-;

981396 вают отрицательное воздействие на скорость удаления углерода из металла.

При недостатке окислителя снижается скорость самой реакции обезуглероживания, а при его избытке образующаяся на поверхности окисная пленка тормозит удаление газообразных продуктов реакции, что также ухудшает итоги процесса. В начальной стадии отжига, когда содержание углерода в металле велико (как правило, > 0,0б%) 10 дпя его интенсивного удаления необходимо поддержание в атмосфере печи относительно высокого окислительного .потенциала. По мере обезуглероживания стали скорость массопереноса уг- 15 лерода к поверхности раздела металла с газовой фазой снижается, что при поддержании окислительного потенциала на начальном уровне приводит к окислению поверхности заготовок и созданию грубой окисной пленки, резко снижающей скорость процесса на его заключительной стадии.

Укаэанный недостаток не может быть устранен путем выбора какого» либо постоянного значения окислительного потенциала как в указанных пре-. делах, так и вне их, так как наиболее эффективное обезуглероживание имеет место только в том случае, если скорость подвода окислителя из газовой фазы к реакционной поверхности в любой момент времени соответствует скорости поступления к ией углерода из глубинных слоев металла.

Параллельно с удалением углерода на первом этапе процесса частично протекает и деаэотация металла, причем в тем большей степени, чем ниже остаточное давление в печи. Постоянное значение окислительного потенци- 40 ала не обеспечивает оптимальной скорости и этого процесса, поскольку образующаяся окисная пленка препятствует удалению и азота. Глубокая деазотация в этом случае происходит 45 только во время дополнительн и выдержки прн остаточном давлении

1 ° 10″ — 1 ° 10 мм рт. ст., что также приводит к увеличению общей длительности вакуумтермической обработки.

Целью изобретения является повышение скорости обезуглероживания и деазотации и увеличение производительности процесса.

Поставленная цель достигается тем,.55 что согласно способу отжига заготовок из нержавеющих сталей и сплавов, включающему нагрев до 1300-1350 С, выдержку в вакууме с окислительным потенциалом, создаваемым эа счет на- 60 пуска газообразного окислителя, дополнительную выдержку при остаточном давлении 1 10″ -1 10 мм рт. ст. и охлаждение, в процессе выдержки давление окислителя постепенно снижают 65 во времени в соответствии с уравнением, /C D» пМ ° Ос р -,» хо(- — «- — ), () где P — давление окислителя (СОл) в момент времени «,Г мм.рт.ст.

Сс, — исходное содержание углеро- . да в металле, Ъг

D. — коэффициент диффузии углерода при температуре отжига, см»г/сг

h — толщина отжигаемой заготовки см время от начала обезуглероживающего отжига, с, k n — константы, определяемые экспериментально в зависимости от температуры и марки стали.

Уравнение (1) получено, исходя иэ уже обоснованного требования постоянного соответствия скоростей подвода окислителя и углерода к реакционной поверхности, т.е.

Здесь скорость массопереносг углерода к реакционной поверхности, г/c, скорость поступления окислителя к реакционной поверхности, г/c, 12

° д — коэффициент, учитывающий стехиометрическое соотношение реагентов в реакции окисления углерода.

Скорость массопереноса углерода в пластине толщиной Ь имеет видг с1юс 8Ссг 5 е c гс Пс — I- «) где S — площадь поверхности пластины, см й.

3 плотность металла, г/см

Скорость поступления окислителя к границе раздела газметалл при прочих равных условиях определяется его давлением в рабочем пространстве и может бить записана в виде: с1дгсо 2„1/и

СО г. где k — коэффициент пропорциональности.

Приравнивая выражения (3) и (4) в соответствии с уравнением (2); после ряда несложных преобразований получаем искомое уравнение (1). Выражение, стоящее перед знаком экспоненты, представляет собой начальное давление окислителя, при котором следует начинать процесс обеэуглероживания. Это

981396 давление для каждой марки стали находится экспериментально или расчетным. путем в зависимости от толщины изделия (h), исходного содержания углерода (Со), температуры, влияющей на величины коэффициента диффузии (Ре) и констант k и .n..

Выражение, стоящее под знаком экспоненты, устанавливает закон, по которому следует снижать давление окис лителя по ходу процесса, чтобы на всем его протяжении поддерживать оп гимальные условия обеэуглероживания.

Сущность предлагаемого способ заключается в следующем.

Заготовки подвергают высокотемпературному отжигу в вакууме с окислительным потенциалом, создаваемым за счет напуска газообразного окислителя (например, СО ) начальное давление которого, как указывалось, определяется толщиной заготовки, ее химическим составом и температурой отжига. B дальнейшем по ходу процесса давление окислителя в рабочем пространстве печи снижают непрерывно или ступенчато в соответствии с программой, которая рассчитывается заранее по уравнению (1). Снижение давления осуществляется путем уменьшения расхода окислителя, подаваемого в печь.

По окончании периода обезуглероживания подачу окислителя прекращают и проводят период дополнительной деаэотации при остаточном давлении

1- 10 — 1 10 мм рт.. ст. Длительность каждого периода и всего отжига в целом (при данной температуре) определяется маркой стали, толщиной заготовки, исходными и требуемыми конечными содержаниями углерода и азота.

На чертеже приведено изменение давления СО в процессе обеэуглероживавщего отжига образцов стали

Пример. Термической обработке в вакууме при 1300 С подвергают плоские образцы из стали 06Х25 толщиной 8 и 4,6 мм. Исходное содержание углерода и азота составляет

0,064 и 0,050% соответственно.

Подачу углекислого газа в печь осуществляют из баллона через редуктор с игольчатым натекателем, при помощи которого производят регулирование расхода газа (а соответственно и его давления в печи).

С целью более детального исследования влияния окислительного потенциала на обеэуглероживание и деазотацию металла после первого этапа отжига процесс прерывают и образцы контролируют на содержание углерода и азота. Затем проводят дополнительную (деазотирувщую) выдержку при остаточном давлении в печи (4-6 ) х 10 4мм рт. ст. Длительность каждой иэ стадий выбирают из расчета получения в готовом металле 0,006-0,009% углерода и азота (по Ту 14-242-157-77 для стали 01Х25 суммарное содержание углерода и азота не должно превышать

0,015% при концентрации каждого

Содержание С и N определяют с точностью 0,0002Ъ.

Параметры ваккумных отжигов и их результаты приведены в таблице.

В опытах 1, 2, 5 и 6 давление окислителя в процессе обеэуглероживающего отжига поддерживают постоянным на нижнем и верхнем пределах, укаэанных в известном способе.

Данные таблицы свидетельствуют, что с повышением давления от 0,1 до 0,25 мм рт. ст. наблюдается не20 которое увеличение скорости обеэуглероживания, однако наряду с этим ухудшается деазотация в первой стадии процесса.

Поддержание в ходе обезуглерожи25 вающего отжига давления СО, превышающего рекомендуемые в прототипе пределы (опыты 3 и 7), также не приводит к желаемым результатам.

Существенное повышение скорости

З0 обеэуглероживания (а в ряде случаев и деаэотации) достигается при непрерывном или ступенчатом уменьшении давления СО в первом периоде процесса по уравнению (1), которое для случая отжига образцов иэ стали

06Х25 принимает вид

Р = 0,35ехр (-0,0002 Г ) для Ь = 0,8 см (5)

Р = О, 6 ехр (- О, 0006 )

40 для h = 0,46 см (6) По уравнениям (5) и (6) рассчита ны кривые, .в соответствии с которыми следует снижать давление СО, в процессе обезуглероживающего отжига (пунктиры на чертеже) . Для этого в уравнения подставляются: значения 6 от О до 2 ч (опыт 4) и от О до

0,7 ч (опыт 8) через каждые 300 с.

Длительность обеэуглероживающего отжига (2 ч и 0,7 ч), как указывалось выбирают из расчета снижения содержания углерода до величин,. требуемых техническими условиями.

Начальное давление СО (при т: О) 2 в соответствии с уравнениями(5) и <6) в опытах 4 и 8 составляет 0,35-и

0 06 мм рт. ст. соответственно.

В дальнейшем в процессе обезуглероживающего отжига, давление СО снижают через каждые 5-10 мин. Изменение давления в ходе обезуглероживающей ста дии опытов 4 и 8 приведено на чертеже (сплошные линии1. В принципе воз65 можно и плавное ведение пРоцесса

981396 с помощью автоматического регулятора . давления.

После окончания первой стадии процесса подачу окислителя прекращают и образцы извлекаются иэ печи.

Затеи после химического анализа металла проводят вторую (деазотирующую) часть выдержки.

Проведение термической обработки по предлагаемому режиму обеспечивает на первой стадии отжига максимальную скорость обезуглероживания при удовлетворительной деазотации. Это. позволяет получить требуемое техническими условиями суммарное содержание углерода и азота (.» 0,015%), в то время, как по прототипу (опыты 1, 2, 5 и 6), при той же общей продолжительности процесса уровень концентрации этих элементов значительно вьые.

Для глубокого рафинирования образцов толщиной 8 мм до суммарного содержания углерода и азота 0,015% длительность изотермической выдержки должна быть увеличена на 4 ч, или на 25%. Стенка 8 мм выбрана для расчета как наиболее распространен10 ная в промышленной практике вакуумного отжига труб из нержавеющих сталей. С учетом неизменной длительности периЬдов нагрева и охлаждения в промышленной печи ОКБ-554АМ (24

15 и 36 ч соответственно) увеличение производительности составляет и 10%.

7 методов и технология отжига стали

Металлургия производит огромное количество марок стали. Для выполнения разных задач часто требуются специфические характеристики металла, которые обеспечить заводы не в состоянии. Тогда на обрабатывающих предприятиях производится доработка сырья до нужной кондиции. Отжиг стали — одна из наиболее частых операций по приданию нужных качеств.

История и технология отжига стали

Отжиг стали предполагает применение переменных температур: нагревание до высоких значений без потери формы и охлаждение в заданном температурном режиме приводит к структурным изменениям кристаллической решетки, сплав получает новые качества, нужные для решения конкретных задач.

Отжиг стали улучшает технологические характеристики металлов. Принято различать 2 разновидности отжига — 1 и 2-го рода.

При первом воздействие выполняется наклепом, который понижает внутренние напряжения рекристаллизацией. Этим устраняются последствия обработки давлением, снижение прочностных характеристик и увеличение пластичности. Изделия приобретают повышенную надежность и долговечность.

Второй род воздействия включает прогревание проката до уровня, превышающего критические точки, в особых режимах охлаждения по сроку и температуре. Итогом становится качественное изменение структурных решеток и получение заданных характеристик материала. Проведение отжига сопряжено с риском пережога. Возникновение необратимых негативных изменений структуры приводит к переплавке проката и изделий.

Точки Чернова

Расчет температурных режимов выполняют, используя открытые в 1868 г. русским ученым Д.К. Черновым критические точки, зависящие от значения температур и %-ого содержание углерода, в которых изменяются фазовые состояния и структурное строение металлов. Открытие Чернова — фундамент создания науки о металлах: впервые установлена связь между режимом обработки, структурным видом и характеристиками сплавов. Применение критических точек дает возможность построения различных режимов термообработки металла. Точки Чернова обозначают литерой А с добавлением индекса, указывающего соответствие точки воздействию:

• «c» — нагреву, от французского chauffage – нагревание;
• «r» — охлаждению, refroidissement – на французском языке.

Диаграмма, построенная на точках Чернова:

Сечение «I» на диаграмме соответствует доэвтектоидной стали. Пересечение линии диаграммы, по горизонтали температуры и вертикали, соответствующей %-му содержанию углерода в сплаве, определяет искомые критические значения.

В процессе нагревания сечение «I»проходит следующие критические точки:

• При температуре 210°С пересекает пунктир, проходящий по линии QP — точка Ас 0, которая отмечает потерю цементитом магнитных свойств.
• t=727°С на линии PG находится точка Ас 1 превращения перлита в аустенит.
• t=768°С на линию PG приходится точка Ас 2 потери магнитных свойств — магнитного железо переходит в немагнитное.
• Последующее повышение t° до пересечения с линией GS показывает переход стального сплава в однофазное аустенитное состояние (перекристаллизация заканчивается. Температура этой точки зависит от состава конкретного металла.

Охлаждение не меняет номеров точек, не вызывает обратной перестройки материала.

Линия «II» выстроена для эвтектоидных сталей.

В промышленности для термообработки проката и изделий используют в печи конструкций:

• камерные — для заготовок небольшого объема;
• шахтные — работают на газе и электроэнергии, выполняют различные технологические задания;
• печи с выдвигающимся полом — обработка крупногабаритного проката и узлов;
• вакуумные — для быстротекущих сплавов, тугоплавкого металла, титана, меди.

Что даёт отжиг металлов

Отжиг выполняется для придания стали нужных качеств:

• снятия внутренних напряжений, полученных первичной обработкой металла — проявляется структурный дисбаланс, который можно снять определенным способом термообработки, получив необходимые характеристики сплава для решения конкретных задач;
• увеличения прочностных и механических характеристик — изделия после отжига долговечнее и прочнее;
• изменения внутренней структуры — под действием высокой температуры изменяется молекулярная структура металла, становится однородной (гомогенной), что упрощает проведение последующих обработок;
• улучшения пластичности, уровня сопротивления, вязкости при ударах — улучшение качественных характеристик после отжига снижает затраты на конечную доводку металлоизделий до требуемых параметров.

Способ и режим термообработки назначается по составу сплава.

Виды отжига

Рассмотрим, что означает термин «отжиг металлов». Термическая обработка металла, состоящая из нагрева выше температуры критических точек Чернова и охлаждение на профессиональном языке называется отжигом. Процедура применяется к различным металлам и их сплавам.

На промпредприятиях применяют режимы термообработки:

• полный, неполный;
• рекристаллизационный;
• диффузионный;
• изотермический;
• сфероизодизационный;
• нормализационный.

Полный отжиг стали

Полный обжиг проводится на изделиях из доэвтектоидных сплавов или сталей, содержащих карбон в количестве ≤ 0,8%. Цель проведения операции — измельчение зерна и улучшение качества обработки с применением режущего инструмента, снятие внутренних напряжений материала. Нагрев происходит на 30..50°С выше точки Ас3, затем деталь постепенно остужают, не вынимая из печи. Охлаждаясь, аустенит выделяет мелкозернистые, гомогенные (однородной структуры) ферриты и перлиты (франц. — жемчуг). Температура нагревания выбирается по типу стали и диаграмме состояний, данные зафиксированы в справочных материалах. Продолжительность охлаждения назначают по составу и структуре металла:

• углеродистые сплавы — 180…200°С/час;
• низколегированные — 90°С/час;
• высоко легированные — 50°С/час.

После проведения процедуры полного отжига неоднородная структура углеродистых или доэвтектоидных сплавов становится однородной, что дает податливость дальнейшей обработке.

Неполный

В отличие от полного, кардинально меняющего структурный состав металла, неполный отжиг изменяет только перлитовую, не затрагивая ферритовую структуру. Перлит , входящий в состав структур сталей, чугуна, других железоуглеродистых материалов, представляет собой цементит и феррит в эвтектоидной смеси. Основная задача неполного отжига — сделать сплавы максимально мягкими и податливыми.

Нагревание производится до t°, превосходящих на 30…50°С точку А1 (параметр перехода перлита в аустенит — начала перекристаллизации), но не достигающих Ас 3 — около 770°С. Затем производится охлаждение до 600°С в установке, со скоростью 60 град/ час, затем процесс продолжается на открытом пространстве.

Рекристаллизационный

Рекристаллизация — снятие структурных изменений, полученных в ходе механических деформаций, вызывающих наклеп. Наклепанный металл имеет меньшую пластичность, отличается жесткостью и неподатливостью.

Нагревание до 650…680°С приводит к равномерному распределению зерен феррита и перлита, вытянутых в направлении деформации, возвращает металлу пластичность.

Диффузионный процесс

Цель диффузионного способа — придание на уровне атомного строения однородности структуре сплава. Диффузионный отжиг иначе называется дендритной ликвацией. Придание гомогенности данным методом уничтожает дендритную ликвацию равномерным распределением атомов примесей по химической структуре слитка.

Процесс отличается использованием t≥1000°С, увеличением выдержки в нагретом состоянии свыше 12 часов, медленным остужением, поэтому он имеет высокую стоимость.

Метод изотермии

Изотермический отжиг используют на сплавах с большим содержанием легирующих и хромистых добавок. Особенностью процесса является нагрев металла на 30…50°С выше точки АС3, быстром остужение и выдерживание при t° ниже критической точки А 1, с дальнейшим естественным охлаждением в воздушной среде.

Преимущество метода изотермии — получение более гомогенного структурного строения деталей, уменьшение срока обработки, так как процесс охлаждения в печи занимает больше времени, чем в естественной среде.

Сфероидизация

При нагревании заэвтектоидных и легированных сплавов до превышения параметра АС 1 на 30…50°С происходит перекристаллизация строения, способствующая образованию перлита в форме правильных сфер. Для ускорения сфероидизации возможно проведение маятникового отжига.

Нормализационный способ

Нормализация производится как промежуточный процесс перед закаливанием и другими видами воздействий для устранения наклепа и удаления внутренних напряжений. Доэвтектоидная сталь нагревается выше точки АС3 на 30…50°С, и постепенно охлаждается в естественной среде. Отличие метода в переохлаждении, из-за которого получают гомогенное мелкозернистое тонкое строение решетки металла.

Преимущество нормализационного способа заключено в снижении срока обработки при высокой производительности. В результате углеродистые сплавы рекомендуют не отжигать, а нормализовать.

Особенности отжига различных сплавов

При назначении способа и режима термообработки важен процент содержания в нем углерода и других примесей. Для точности соблюдения режима рекомендуют использовать две печи: в 1-ой изделие проходит нагрев при t=max , во 2-ой — проходит выдержку, обеспечивающую завершение структурных преобразований металла.
Обработка нержавеющей стали в первой печи происходит с t=1000°С, затем выдержка несколько часов во 2-ой при t=900, завершает охлаждение до t=300° на скорости 50…100 град/ час, окончательное охлаждение производят на открытом пространстве.

Отжиг в домашних условиях

В быту для снижения прочности и упрощения последующей обработки металла возможно выполнить процедуру отжига упрощенным сспособом неполного отжига.
Использование газовой горелки для нагревания не дает возможности проконтролировать температурный режим, поэтому температуру определяют «на глазок», в затененном месте. Изделие последовательно приобретает цвет разжаривания в зависимости от температуры (в градусах):

• темно-коричневый — t=530…580;
• коричнево-красный — t=580…650;
• темно-красный — t=650…730;
• темно-вишневый -t= 730…770;
• вишнево-красный — t=770…800;
• светло-вишневый — t=800…830;
• светло-красный — t=830…900;
• оранжевый — t=900…1050;
• темно-желтый -t= 1050…1150;
• светло-желтый — t=1150…1250;
• светло-белый — t=1250…1350.

Изделия следует нагревать на нагретых металлических подставках. Для охлаждения используют различные среды — воду комнатной температуры или нагретую до 50°С, водные растворы, масла, воздух. Ускоряет охлаждение добавка кухонной соли, едкого натра, селитры. Замедляет процесс добавка жидкого мыла, масляной эмульсии, жидкого калиевого или натриевого стекла, известкового молочка.

Охлаждение с высокой скоростью дает твердый закал, приводящий к высоким внутренним напряжениям, возможны трещины, а медленное охлаждение не даст твердости закала. Для получения деталей одинаковой степени закалки следует использовать ванну большой емкости или заменять среду закаливания после каждой операции.

Следует помнить, что режимы высоких температур потенциально пожароопасны, их проводят с соблюдением правил пожарной безопасности в подготовленных помещениях с огнезащитой поверхностей и качественной приточно-вытяжной вентиляцией. При проведении отжига обязательно использовать средства защиты — спецодежду и обувь, рукавицы, головной убор с защитным козырьком.