Патентирование

Патентирование - вид термической обработки, заключающейся в нагреве заготовки выше температуры А_С3, выдержке и изотермическом распаде аустенита в ваннах со свинцом, расплавами солей или с кипящим слоем, что обеспечивает получение в металле структуры тонкопластинчатого перлита (сорбита или троостита в зависимости от температуры изотермической обработки). Обычно после изотермической термообработки металл подвергается последующей деформации с большими степенями (до 90%). В соответствии с классификацией видов термомеханической (деформационно - термической) обработки в СНГ патентирование относится к 4-му классу - «Деформация до и после термической обработки».

Патентирование - этот метод упрочнения стальной проволоки получил большое распространение во всем мире после его изобретения и апробации в Англии во второй половине 19 века. В нашей стране в 1922 году Штейнберг С.С. совместно с сотрудниками Белорецкого метизного завода самостоятельно создали аналогичный процесс. Патентирование проволоки представляет собой разновидность изотермической закалки (рис.82), заключается в распаде аустенита при 440–550°С на тонкопластинчатый перлит (сорбит, троостит, бейнит - рис. 83) с толщиной пластинок цементита 10–40 нм и феррита 60–200 нм. Отличие заключается, в основном, в более высокой температуре аустенитизации по сравнению с обычной или изотермической закалкой. Температура нагрева при патентировании тем выше, чем больше диаметр проволоки. Например, для проволоки диаметром 6 мм и менее, К.Д. Потемкин рекомендует температуру нагрева t_н определять по формуле:

t_н = 900 – 50С + 10Д,

где С – содержание углерода в стали, %; Д – диаметр проволоки, мм.

Повышение температуры аустенитизации при патентировании необходимо для обеспечения лучшей гомогенизации и крупнозернистости аустенита (размер зерна № 2...3), большей изотермичности распада переохлажденного аустенита. Образующаяся при этом структура однородного сорбита обладает отличной деформируемостью волочением, позволяет применять многократное волочение проволоки с суммарным обжатием до 95% без промежуточной термической обработки. При волочении патентированной проволоки с большим суммарным обжатием в ней формируется однородная волокнистая структура, обеспечивающая сочетание высокой прочности с достаточной пластичностью, стойкость к перегибам и скручиваниям.

Патентирование может являться как промежуточной операцией термической обработки, так и финишной.

При волочении катанки металл нагартовывается и для придания ему пластичности в промышленности используется промежуточная термическая обработка патентирование, режим которой включает нагрев металла до температур подкритической области (~550-650⁰С), выдержку и охлаждение.

Рис.82 - Схема графика патентирования проволоки.

На рис.83 приведены структуры перлита (а), сорбитообразного перлита (б) и смешанной структуры с участком бейнита (в) катанки из высокоуглеродистой стали 90 после непрерывного охлаждения из аустенитной области с различными скоростями.

а б

в

Рис.83 - Микроструктура (×5000) высокоуглеродистой стали 90 после непрерывного охлаждения со скоростью, ^оС/с: 0,4 (а), 4,8 (б) и 17 (в)

Возможен вариант использования режима патентирования как финишной обработки для придания высокого уровня прочностных свойств металлу проволоки. Патентированию подвергают стали с содержанием углерода от ~0,4% до ~0,9% и даже выше.

Классическая схема патентирования приведена на рис.82. Для получения высокопрочной проволоки применяют стали с содержанием углерода от 0,45 до 0,9% (это стали У7,У8А, 65Г, 45, могут использовать 70С3ХМВА и 50ХФА). Надо отметить, что в металле патентированной проволоки получают уровень прочностных свойств, недостижимых другими двойными обработками. Так на проволоке диаметром 0,3мм получают предел прочности 380 кг\мм², тогда как после закалки и низкого отпуска в высокоуглеродистой стали не превышает 250 кг\мм². Этот процесс имеет много разновидностей, среди которых можно отметить процесс, при котором нагрев проволоки и изотермическое охлаждение производят в кипящем слое. Это позволяет предотвратить окисление проволоки при нагреве и повысить температуру нагрева, а также интенсифицировать охлаждение. В промышленных условиях обычно патентирование реализуется следующим образом: металл (катанку) нагревают до (А_С3+30-50⁰ С) 850-1100⁰ С и быстро изотермически охлаждают в свинцовых или соляных ванных до 400-450⁰ С для получения сорбитной (трооститной) структуры, затем охлаждают на воздухе, часто совмещая с холодным волочением через фильеры с обжатием 70-80%. Чередование таких процессов позволяет получать недостигаемые уровни прочности при высоких показателях пластичности. Последующий кратковременный отпуск при 150-420⁰ С (дорекристаллизационный отжиг) позволяет дополнительно повысить прочность металла.

Следует еще рассмотреть процесс патентирования, разработанный Кидиным И.Н. и сотрудниками. Один из таких методов предполагает электрический (скоростной) нагрев проволоки до температуры аустенитзации, деформирование в валках на 25-30% и охлаждение на воздухе. При таком процессе поверхностные слои металла интенсивно (со скоростью до 2500-3000 ⁰С\сек охлаждаются в валках до температуры 350-400⁰ С. После прокатки происходит некоторое повышение температуры металла и стабилизация до 500-550⁰С. Аустенит стали после такой обработки отличается наличием мелкого зерна, повышенной плотностью дислокаций и микронеоднородностью состава, что существенно уменьшает его устойчивость при охлаждении. Распад аустенита происходит через 1-2 сек после стабилизации температуры и завершается через 3-4 сек (практически в изотермических условиях). Прочностные свойства стали после такой обработки выше, по сравнению с классической, а пластичность несколько ниже, но в пределах требований к канатной проволоке.

Еще одна разновидность процесса патентирования, в котором получается при переохлаждении аустенита нижний бейнит (предложен Сазоновой АА) или мартенсит, а затем происходит его деформация. Этот способ позволяет на 30-40% повысить прочность проволоки по сравнению с классическом процессом, при сохранении удовлетворительной пластичности. Такой процесс целесообразно использовать при производстве толстой патентированной проволоки, т.к. исходное бейнитное состояние металла позволяет достигать высокопрочного состояния по всему сечению. Чем же отличаются свойства металла проволоки подвергнутой закалке с отпуском и патентированию? Металл проволоки после улучшения имеет лучшую вязкость при той же прочности, что и патентированная проволока. Но после холодной деформации (волочения) патентированная проволока имеет такое хорошее сочетание высоких прочности и пластичности, какого не имеет улучшенная. Исследования структуры под электронным микроскопом показало, что основное влияние на свойства холоднотянутой проволоки оказывают размеры и форма карбидных частиц и субструктура ферритной матрицы. Патентированная проволока имеет структуру тонкопластинчатого сорбита с ферритными промежутками 0,1-0,2 мк и толщиной пластин цементита 200-400А. Дисперсность перлита в основном зависит от температуры изотермического распада. Деформация такой структуры приводит к значительному уменьшению толщины пластин Ц и расстоянию между ними. После больших суммарных обжатий (до 90%) толщина Ц пластин уменьшается до 70-100А, а межпластинчатое расстояние до 500-700А.

Литература:

1. Структура перлита и конструктивная прочность стали / Л. И. Тушинский [и др.]. – Новосибирск: Наука, 1993. – 278 с.

2.Потемкин К. Д. Термическая обработка и волочение высокопрочной проволоки / Потемкин К. Д. – М.: Металлургиздат, 1963. – 120 с.

3.Бернштейн М. Л. Термомеханическая обработка стали / Бернштейн М. Л., Займовский В. А., Капуткина Л. М. – М.: Металлургия, 1983. – 480 с.

4. Долженков И. Е. Сфероидизация карбидов в стали / И. Е. Долженков, И. И. Долженков. – М.: Металлургия, 1984. – 143 с.

5. Гриднев В. Н. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали / Гриднев В. Н.,. Гаврилюк В.Г., Мешков Ю. Я.– Киев: Наукова думка, 1974 – 232 с.

6.Зубов В. Я. Патентирование и волочение стальной проволоки / Зубов В. Я.. – Свердловск-Москва: Металлургиздат, 1945. – 116 с.

7.Функе П. Влияние режима патентирования на структуру и механические свойства катанки из высокоуглеродистой стали / П. Функе, Г. Краутмахер, Р. Кольгрюбер // Черные металлы. – 1982. – №2. – С. 28– 35.

ххххххххххххххххххххххххххххх

Дата добавления: 2014-10-23