[2]Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к газовому азотированию сварочных сталей после предварительного травления и водородного отжига. Способ позволяет получить сварочную проволоку, в частности, стали марки СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ диаметром от 2,0 до 6,0 мм с высокой стабильностью горения дуги, как при сварке перлитных, так и аустенитных марганцовистых сталей, низкой склонностью к горячим трещинам, отсутствием пор и высокими прочностными свойствами металла шва.
[3]2. Предшествующий уровень техники
[4]Известен «Способ нитрозакалки стали с двойной химико-термической обработкой» (RU №2184796, (С23С 8/34, C23F 17/00), 2000), включающий предварительную нитроцементацию при 800-820°С с применением триэтаноламина, затем выполняют азотирование на толщину, меньшую, чем толщина подслоя нитроцементации. После азотирования выполняют закалку, обработку холодом, отпуск. Техническим результатом является повышение твердости, теплостойкости и режущих свойств диффузионного слоя изделий из легированных сталей. Недостаток - не обеспечивается оптимальность химико-термической обработки изделий из сварочных сталей.
[5]Известен «Способ ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали» (Патент RU 2634400 (С23С 8/38, С23С 14/48), 2016), включающий размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование его поверхности перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев режущего инструмента до температуры азотирования и его выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя. Недостатком способа является неоднородность диффузионного слоя.
[6]Известен «Способ газового азотирования изделий из конструкционных сталей» (Патент RU 2639755 (С23С 12/02, С23С 8/36, С23С 10/36), 2016), включающий нагрев в печи размещенных в реакторе изделий в азотосодержащей атмосфере, изотермическую выдержку в потоке азотосодержащего газа и последующее охлаждение с печью. Недостатком известного способа является отсутствие эффективных операций предварительной очистки поверхности изделий перед азотированием.
[7]Известен также, принятый заявителем за наиболее близкий аналог, «Способ высокотемпературного азотирования деталей из коррозионностойких хромоникелевых сталей» (Патент RU 2287608 (С23С 8/26), 2004). Способ включает нагрев деталей до температуры 1100-1200°С, выдержку в насыщающем газе в течение 2-8 часов и охлаждение с печью до комнатной температуры. Недостатком известного способа является отсутствие эффективных операций предварительной очистки поверхности изделий перед азотированием и несоответствие параметров химико-термической обработки объекту из сварочной стали.
[8]3. Сущность изобретения
[9]3.1. Постановка технической задачи
[10]Обеспечение требований нормативной документации по содержанию азота в проволоке заказных размеров (от 2,0 до 6,0 мм) и формирование однородного насыщенного диффузионного слоя изделия азотом.
[11]Результат решения технической задачи
[12]Решение поставленной технической задачи достигается тем, что вначале изделие подвергается травлению и водородному отжигу, затем его нагревают до заданной температуры в интервале 950÷1100°С, производят последующую выдержку в насыщающей атмосфере для диффузионного насыщения поверхности изделия азотом в течение 2÷6 часов и осуществляют последующее охлаждение в холодной воде.
[13]3.2. Отличительные признаки
[14]В отличии от известного технического решения включающего нагрев деталей до температуры 1100÷1200°С, выдержку в насыщающем газе в течение 2÷8 часов и охлаждение с печью до комнатной температуры; в заявленном техническом решении перед нагревом до заданной температуры в интервале 950÷1100°С на стадии подготовки изделия перед азотированием осуществляют травление, для удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием химических веществ, водородный отжиг, обеспечивающий очистку поверхности, затем производят продувку азотом и последующую выдержку в атмосфере азота, после чего изделие охлаждают в холодной воде.
[15]Травление осуществляется в двух кислотном растворе в течение 5÷10 минут после предварительной промывки изделия в ванне с горячей водой в течение 5÷7 минут. Затем осуществляют промывку в холодной воде и травление в растворе азотной кислоты в течение 5÷10 минут. Далее снова производят промывку в холодной воде и осуществляют сушку в печи при температуре 100÷110°С.
[16]Перед отжигом в среде водорода осуществляют первичную продувку изделия азотом под давлением 80÷200 мм рт.ст. в течение 40÷120 минут.
[17]По окончании продувки при достижении температуры печи не менее 700°С под муфель подается водород с давлением 30÷90 мм рт.ст. и производится выдержка в атмосфере водорода в течение 1,5÷2,5 часа.
[18]Затем производят повторную продувку азотом под давлением 80÷200 мм рт.ст. в течение 40÷60 минут и нагрев до температуры 950÷1100°С. Выдержка изделия в атмосфере азота производится в течение 2÷6 часов.
[19]3.3. Перечень фигур чертежей
[20]На фиг. 1 представлено схематическое изображение колпаковой печи для химико-термической обработки изделия из сварочной стали, где 1 - бетонный поддон; 2 - муфель; 3 - колпаковая печь; 4 - патрубок подвода газа (азот, водород); 5 - патрубок отвода газа (воздух, азот, водород); 6 - песочный затвор; 7 - электрические нагреватели; 8 - оснастка (цилиндрическая труба выполненная вертикально, с целью направления газового потока (азот, водород), к основанию которой приварен пятак (9)); 10 - проушина, предназначенная для перемещения оснастки с размещенным на ней изделием (бунт проволоки) краном; 11 - бунт проволоки.
[21]На фиг. 2 представлена структурная блок-схема способа азотирования изделия из сварочной стали, где 12. - Подготовка колпаковой печи, сборка садки и ее загрузка; 13. - Первичная продувка азотом; 14. - Отжиг в водороде; 15. - Повторная продувка азотом; 16. - Нагрев до заданной температуры; 17. - Выдержка в атмосфере азота; 18. - Охлаждение в холодной воде; 19 - Контроль азота в изделии.
[22]На фиг. 3 представлена равновесная фазовая диаграмма стали СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ в координатах «содержание азота - температура», построена с помощью программы «Thermo Calc» с базой данных TCFE7, где:
[23]- фазы: Ж - жидкий металл; А - аустенит; {N2} - газообразный азот; TiN - нитрид титана; VN - нитрид ванадия; CrN - нитрид хрома; М23С6 и М6С - карбидные фазы: SIGMA - сигма-фаза;
[24]- границы: сплошная красная - линия ликвидуса; красный крупный пунктир - линия солидуса: розовый мелкий пунктир - область существования нитрида титана; голубой мелкий пунктир - начало выделения газообразного азота (предельная содержание азота в стали); розовый крупный пунктир - область существования нитрида ванадия; сплошная розовая - область существования нитрида хрома; сплошная светло-коричневая - область существования карбида типа М23С6; темно-коричневый мелкий пунктир - область существования карбида типа М6С; сплошная синяя - область существования сигма-фазы.
[25]4. Описание изобретения
[26]Коррозионностойкая сталь СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ разработана ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» им. И.В. Горынина для производства сварочной проволоки, используемой для сварки высоколегированных сталей в особо ответственных изделиях. Предъявляемые требования к химическому составу сварочной проволоки представлены в таблице 1.
[27]
[28]
[29]При рассмотрении химического состава стали СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ сразу возникает вопрос о характере взаимодействия азота с таким сильным нитридообразующим элементом, как титан при ее выплавке и затвердевании. Его можно оценить по равновесной фазовой диаграмме стали СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ в координатах «содержание азота - температура», показанной на фиг. 3. Она построена с помощью программы «Thermo Calc» с базой данных TCFE7 для расчетного химического состава стали СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ, приведенного в последней строке таблицы 1.
[30]Из диаграммы на фиг. 3 следует, что в жидкой стали СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ при содержании в ней азота в соответствии с предъявляемыми требованиями 0,20-0,35% он содержится в расплаве главным образом в виде нитрида титана. Например, при температуре 1500°С сталь СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ с расчетным химическим составом содержит 0,73% нитрида титана при содержании растворенного азота в расплаве 0,185%. При 1400°С содержание нитрида титана увеличивается до 0,86%, а содержании растворенного азота в расплаве снижается до 0,169%. При температуре 1350°С, когда 82% металла находится в твердом состоянии, система содержит 1,11% нитрида титана при содержании растворенного азота в оставшемся расплаве 0,195%). Поскольку плотность нитрида титана ниже плотности жидкой стали, нитридные включения всплывают вверх и создаются условия для неравномерного распределения азота в объеме слитка и полученной из него сварочной проволоке, выходящие за пределы, допустимые предъявляемыми требованиями. Это, к сожалению, подтверждается многолетним опытом производства сварочной проволоки из стали СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ на заводе.
[31]В то же время диаграмма на фиг. 3 показывает, что твердую сталь СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ можно насытить азотом при нагреве сварочной проволоки в его атмосфере. Например, при 1000°С содержание азота в стали теоретически можно довести почти до 5%. Практически это неосуществимо из-за диффузионных ограничений, но для содержания азота в соответствии с предъявляемыми требованиями 0,20-0,35% можно подобрать режим термической обработки сварочной проволоки в атмосфере азота, обеспечивающий требуемое его среднее содержание по сечению проволоки и равномерное по ее длине.
[32]В заявленном техническом решении на стадии подготовки изделия перед химико-термической обработкой осуществляют операции травления и водородного отжига, а после выдержки в насыщающей атмосфере азота изделие охлаждают в холодной воде, при этом предлагаемый способ азотирования реализуется поэтапно следующим образом (Фиг. 1 и 2):
[33]- травление осуществляется в двух кислотном растворе в течение 5÷10 минут после предварительной промывки изделия в ванне с горячей водой в течение 5÷7 минут. Затем проводится промывка в холодной воде и травление в растворе азотной кислоты в течение 5÷10 минут. Далее снова осуществляется промывка в холодной воде и сушка в печи при температуре (100÷110)°С.
[34]- перед началом термообработки проводится очистка бетонного поддона (1) от песка и посторонних предметов, затем поверхность продувается сжатым воздухом, в затворы (6) досыпается песок. Садка (оснастка с загруженным на нее бунтом проволоки) при помощи мостового крана устанавливается по центру поддона колпаковой печи (3) и накрывается муфелем (2), затем накрывается колпаком, предварительно нагретым до температуры на (50÷100)°С выше номинальной температуры для режима термообработки. Установленная печь подключается к источникам нагрева.
[35]- перед отжигом в колпаковой печи осуществляют первичную продувку подмуфельного пространства азотом (13), с целью вытеснения воздуха, под давлением 80÷200 мм рт.ст. в течение 40÷120 минут;
[36]- по окончании продувки при достижении температуры печи не менее 700°С под муфель подается водород с давлением 30÷90 мм рт.ст. и производится выдержка в атмосфере водорода в течение 1,5÷2,5 часа (14). Отжиг в среде водорода обеспечивает очистку поверхности изделия;
[37]- вторичная продувку азотом (15) под давлением 80÷200 мм рт.ст. в течение 40÷60 минут;
[38]- нагрев до температуры в интервале 950÷1100°С (16) и выдержка изделия в атмосфере азота (17) в течение 2÷6 часов;
[39]- извлечение изделия из колпаковой печи и охлаждение его в холодной воде (18).
[40]5. Пример конкретного выполнения (реализация способа)
[41]Использование предлагаемого способа при производстве сварочной проволоки стали марки СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ диаметром от 2,0 до 6,0 мм обеспечивает высокую стабильность горения дуги, самопроизвольную отделимость шлаковой корки, как при сварке перлитных, так и аустенитных марганцовистых сталей, низкую склонность к горячим трещинам, отсутствие пор и высокие прочностные свойства металла шва.
[42]Выполнение способа проиллюстрировано на примере стали марки СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ используемой для производства сварочной проволоки диаметром 3,0 и 5,0 мм. Для этого были взяты 7 плавок с содержанием азота в проволоке 08 мм в пределах 0,023÷0,035%. Волочение проволоки на заказные размеры провели через промежуточный размер, в котором осуществили азотирование.
[43]Бунты проволоки после предварительной промывки в ванне с горячей водой в течение 7 минут подвергли травлению в двух кислотном растворе в течение 7 минут. Затем их промыли в холодной воде и произвели травление в растворе азотной кислоты в течение 5 минут. После чего снова осуществили промывку в холодной воде и сушку в печи при температуре 100°С.
[44]Способ азотирования изделия был реализован в колпаковой печи. Бунты проволоки перед азотированием предварительно отожгли в среде водорода при температуре 700°С в течение двух часов. Затем осуществили нагрев до температуры 1050°С и выдержку бунтов в атмосфере азота в течение 6 часов. После термической обработки охлаждение проволоки произвели в ванне с холодной водой.
[45]После термической обработки от каждого мотка с 2-х сторон произвели отбор образцов для контроля содержания азота в металле. В таблице 2 приведено содержание азота в проволоке стали марки СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ до и после азотирования.
[46]Изготовленная проволока диаметром 3,0 и 5,0 мм полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям нормативной документации по механическим свойствам (таблица 3).
[47]Из таблиц 2 и 3 видно, что в предложенный способ положительно реализован на всех 7 плавках стали марки СВ-10Х19Н23Г2М5ФАТ. Весь металл был сдан заказчику.
[48]
[49]
