ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения технологической разработки.

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке пружин из кремнистой стали, и может быть использовано при изготовлении пружин, рессор и других упругих элементов в машиностроении.

В способе термической обработки пружин из кремнистой стали, включающем изотермическую закалку с выдержкой и последующий отпуск, изотермическую закалку с выдержкой ведут в две стадии. При этом на первой стадии изотермическую закалку выполняют от 900-920°С с выдержкой при 355-365°С в течение 5-7 минут, а на второй стадии изотермическую закалку выполняют от 830-840°С с выдержкой при 355-365°С в течение 12-15 минут. Отпуск проводят при 200-220°С в воздушной среде в течение 40-50 минут или в печи с кипящим слоем в течение 15-20 минут.

Повышение эксплуатационной стойкости пружин из кремнистой стали до 80-100 тысяч нагружений без разрушения при внезапном ударном нагружении обусловлено формированием при изотермической закалке бескарбидного (нижнего) бейнита со стабильным остаточным аустенитом, обеспечивающим высокий комплекс механических свойств стали. Кроме того, повышение эксплуатационной стойкости после изотермической закалки обусловлено присутствием в структуре остаточного аустенита, который при пластической деформации способствует релаксации микронапряжений, снижает пики напряжений на дефектах структуры и чувствительность к надрезу.

Повышение температуры закалки на первой стадии до 900-920°С предназначено для получения однородного аустенита за счет растворения нитридов, оксидов, сульфидов и устранения вторичной полосчатости.

Температура закалки меньше 900°С не обеспечивает однородности аустенита вследствие неполного растворения нитридов и сульфидов, что не устраняет появление вторичной полосчатости.

Нагрев под закалку выше 920°С сопровождается ростом зерна.

Выдержка в течение 5-7 минут при температуре ниже 355°С не обеспечивает получение неравновесной структуры, температура выше 365°С сопровождается образованием равновесной структуры.

Первая стадия изотермической закалки с выдержкой при 355-365°С 5-7 минут необходима как предварительная высокотемпературнопрерванная, то есть ступенчатая закалка, которая приводит к образованию несовершенств кристаллического строения и получению неравновесной структуры, способствующей сфероидизации карбидов при последующем нагреве под закалку.

Вторая стадия изотермической закалки предусматривает понижение температуры на 30-40°С, то есть до 830-840°С вместо 860-870°С у прототипа для изменения зерна, вследствие чего повышаются механические свойства кремнистой стали.

Температура нагрева меньше 830°С, несмотря на получение более мелкого зерна, не обеспечивает достаточное растворение углерода в аустените для обеспечения необходимой твердости после закалки.

Нагрев выше 840°С сопровождается ростом зерна и снижением комплекса механических свойств стали.

Обеспечение высокого комплекса механических свойств малоцикловой усталости и стойкости на повторный удар достигается выдержкой в течение 12-15 минут при 355-365°С с получением структуры бескарбидного (нижнего) бейнита со стабильным остаточным аустенитом, обогащенного углеродом без выделения карбидов (см. Калетин Ю.М. Легирование и термическая обработка сталей с бейнитной структурой// Металловедение и термическая обработка металлов. 1987. - №10. - С. 13-16).

Отпуск при 200-220°С необходим для снятия закалочных напряжений. Оптимальным он является потому, что при отпуске ниже 200°С происходит недостаточное снятие закалочных напряжений, а отпуск при температуре выше 220°С приводит к разупрочнению стали путем снижения твердости.

Во время отпуска в течение 40-50 минут протекают процессы релаксации термических и фазовых превращений, протекающих при закалке, способствующие повышению ударной вязкости. Однако, при выдержке меньше 40 минут ударная вязкость не превышает 1,3 кДж/м ² вместо 1,4 кДж/м ². Время выдержки свыше 50 минут сопровождается коалесценцией карбидной фазы и снижением ударной вязкости.

Выполнение отпуска в печи с кипящим слоем в течение 20-30 минут, то есть в два раза менее продолжительным, чем в воздушной среде, является оптимальным, так как в печи с кипящим слоем снятие закалочных напряжений и стабилизация структурного состояния стали, вследствие интенсивного теплообмена, протекает быстрее. Кроме того, в кипящем слое соударение частиц кварцевого песка с пружиной сопровождается динамическим упрочнением.

Заявляемое изобретение поясняется таблицей, на которой представлены показатели механических свойств и эксплуатационной стойкости пластинчатых пружин из стали 60С2 после термической обработки по известным способам, выбранным в качестве аналога и прототипа, и по предлагаемому способу.

Способ термической обработки пружин из кремнистой стали осуществляется следующим образом. Сначала производят в две стадии изотермическую закалку пружин с выдержкой. На первой стадии изотермическую закалку пружин выполняют от 900-920°С с выдержкой при 355-365°С в течение 5-7 минут. На второй стадии изотермическую закалку выполняют от 830-840°С с выдержкой при 355-365°С в течение 12-15 минут. После этого проводят отпуск при 200-220°С в воздушной среде в течение 40-50 минут или в печи с кипящим слоем в течение 20-30 минут.

Таким образом эксплуатационная стойкость пружин из кремнистой стали повышается до 80-100 тысяч нагружений без разрушений при внезапной ударной нагрузке при условии их термической обработки в соответствии с заявленным способом.