Способ термообработки углеродистых сталей после плазменной резки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(56) ШОРШОРОВ М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. - М. Наука, 1965. - С. 100-131.1696520 1, 1991.662600, 1979.2219271 2, 2003.2012600 1, 1994.(57) Способ термообработки заготовок из углеродистой стали после плазменной резки,включающий нагрев стальных заготовок до температурыи выдержку при этой температуре, отличающийся тем, что температурувыбирают из интервала от температуры вк 20 С до 1000 С, где Твк - верхняя температура температурного интервала фазового превращения на диаграмме состояния железо-углерод, а общее время термообработкив минутах должно быть не меньше 20, где- масса одновременно нагреваемых заготовок в килограммах. Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано на машиностроительных заводах при раскрое листового металла с помощью плазменной резки. В настоящее время широкое применение для раскроя листовых материалов находит плазменная резка листовых материалов 1. В отличие от лазерной резки 2, с помощью которой можно резать металл толщиной до 10 мм, этим способом можно разрезать металл толщиной до 100 мм. Физический смысл такого способа резки состоит в том, что энергия плазменной струи разогревает металл до температуры плавления, а расплав с помощью подаваемого при определенном давлении газа удаляется из зоны расплава. При этом прилегающие к зоне реза объемы металла также разогреваются до больших температур. Непосредственно прилегающие к зоне реза объемы разогреваются до температур, близких к температуре плавления, более далекие - до температур, уменьшающихся при удалении от поверхности реза. В результате в части металла развиваются фазовые и структурные превращения, происходит выгорание части легирующих элементов, изменение химического состава и свойств металла в зоне термического влияния. Перекристаллизация с изменением фазового состава и структуры сопровождается появлением напряжений,которые могут в некоторых случаях привести к образованию трещин в поверхностных 15064 1 2011.12.30 слоях зоны термического влияния. Кроме того, различный фазовый состав обусловливает локальное изменение механических и физических свойств материала. Использование таких заготовок для изготовления продукции может приводить к значительной доле бракованных изделий. Для улучшения качества металла в заготовках после плазменной резки необходимо осуществлять восстановление однородности свойств посредством термической обработки. Наиболее близким по технической сущности способом термообработки сталей является способ, применяемый после сварки изделий и резки газопламенным способом (прототип) 3. Он заключается в том, что для снятия возникающих неоднородных внутренних напряжений металл подвергается нагреву в области температур, не превышающих температуру начала фазового превращения. Недостатком этого способа является то, что при его использовании не происходит гомогенизация металла по химическому составу, не восстанавливается однородность структуры и свойств, измененных в процессе воздействия. Задачей заявляемого способа является обеспечение однородности свойств металла по всему объему заготовки после плазменной резки. Поставленная задача решается тем, что в известном способе, включающем нагрев стальных заготовок из углеродистой стали до температурыи выдержку при этой температуре, температурувыбирают из интервала от температуры вк 20 С до 1000 С, где вк - верхняя температура температурного интервала фазового превращения на диаграмме состояния железо-углерод, а общее время термообработкив минутах должно быть не меньше 20, где- масса одновременно нагреваемых заготовок в килограммах. Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что фазовые превращения в стали в условиях высокотемпературного нагрева протекают с изменением химического состава, так как высокотемпературная фаза (аустенит) отличается по своему составу от низкотемпературной (феррит или перлит). Для образования зародышей новой фазы поэтому требуется существенное диффузионное перераспределение атомов компонентов, входящих в состав стали. При последующем обратном превращении такое перераспределение способствует гомогенизации стали по химическому составу. В стали активно развиваются диффузионные процессы, позволяющие обеспечить более равномерный химический состав по объему заготовки, в том числе и в зоне термического влияния плазменной резки. При низкотемпературной обработке такие процессы если и имеют место, то развиваются в меньшей степени из-за низких значений коэффициентов диффузии и поэтому не могут обеспечить достаточно полное перераспределение атомов компонентов. При таком способе нагрев должен производиться до температур в интервале от температуры (вк 20 С), где вк - верхняя граница межкритической области температур фазового превращения, до 1000 С. При этом происходит фазовая перекристаллизация во всем объеме стальной заготовки, в результате чего структура стали становится одинаковой и в значительной степени восстанавливается однородность распределения свойств стали по объему заготовки. Нагрев до более низких температур не позволит развиваться фазовому превращению во всем объеме металла. Превышение температуры нагрева выше 1000 С приведет к значительному росту зерна, что может ухудшить состояние стали, и к неэкономичности процесса. Время термообработки определяется необходимостью достаточного прогрева объема заготовки и последующего полного развития фазового превращения при выбранной температуре в указанной области. Поэтому чем больше масса одновременно нагреваемых заготовок, тем больше должно быть время обработки. Минимально допустимым временем является 20 мин на 1 кг массы. Очень большое время, также как и очень высокая температура нагрева, приведет к значительному росту зерна и неэффективности процесса. Для из 2 15064 1 2011.12.30 делий с другой массой время обработки рассчитывается по формуле 20, где- масса одновременно нагреваемых заготовок в килограммах. Пример конкретной реализации способа Полученные после плазменной резки стальные заготовки из среднеуглеродистой стали массой около 1 кг помещались для нагрева в камерную печь при температурах 820 С(ниже вк), 860 С (вк 20 С), 920 С, 1000 С, 1040 С. Температура вк для использованной стали была равна 840 С. Заготовки выдерживались при этих температурах в течение 30 мин, а при 920 С дополнительно в течение 15 и 20 мин, что составляет соответственно 15, 20 и 30, где- масса заготовок в килограммах. После этого проводились измерения твердости как показателя однородности распределения свойств стали в зависимости от расстояния от поверхности реза и металлографические исследования структуры. Полученные результаты приведены в таблице. Свойства. Способ Прототип 500 С Предлага- 820 С емый 30 мин 860 С 30 мин 920 С 30 мин 1000 С 30 мин 1040 С 30 мин Твердость на расстоянии от поверхности реза, мм Структура 0 2 4 6 8 10 190 120 127 135 145 150 неоднородная 170 неоднородная,крупное зерно наблюдаются области с незавершенным фазовым превращением,структура и свойства неоднородные однородная Из приведенных данных видно, что предлагаемый способ термической обработки углеродистых сталей после плазменной резки обеспечивает восстановление однородности свойств и структуры по всему объему получаемых заготовок. В то же время нагрев до температур ниже вк не приводит к полному завершению фазового превращения по всему объему заготовки из-за сравнительно низкой температуры, в результате чего сохраняется неоднородность структуры и свойств. Нагрев выше 1000 С обусловливает резкий рост зерна и развитие разнозернистости по объему заготовки. Сокращение длительности выдержки при оптимальной температуре нагрева не дает возможности получить выравнивание температуры по всему объему заготовки. Следствием этого является наличие объемов с незавершенным фазовым превращением и, соответственно, существенная неоднородность структуры и свойств. 15064 1 2011.12.30 Источники информации. 1. Машиностроение. Энциклопедия в 40 т. Т. -4 Технология сварки, пайки и резки,2006. 2. Григорьянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная резка металлов. - . Высшая школа, 1988. 127 с. 3. Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. - . Наука, 1965. 336 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4