RU2413777C1 - Procedure for thermal treatment of items out of steel and alloys - Google Patents

Procedure for thermal treatment of items out of steel and alloys Download PDF

Info

Publication number
RU2413777C1
RU2413777C1 RU2009143906/02A RU2009143906A RU2413777C1 RU 2413777 C1 RU2413777 C1 RU 2413777C1 RU 2009143906/02 A RU2009143906/02 A RU 2009143906/02A RU 2009143906 A RU2009143906 A RU 2009143906A RU 2413777 C1 RU2413777 C1 RU 2413777C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat treatment
product
temperature
item
heat
Prior art date
Application number
RU2009143906/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Николаевич Урцев (RU)
Владимир Николаевич Урцев
Сергей Анатольевич Муриков (RU)
Сергей Анатольевич Муриков
Дим Маратович Хабибулин (RU)
Дим Маратович Хабибулин
Антон Владимирович Шмаков (RU)
Антон Владимирович Шмаков
Original Assignee
ООО "Исследовательско-технологический центр "Аусферр"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ООО "Исследовательско-технологический центр "Аусферр" filed Critical ООО "Исследовательско-технологический центр "Аусферр"
Priority to RU2009143906/02A priority Critical patent/RU2413777C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2413777C1 publication Critical patent/RU2413777C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Heat Treatment Processes (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: procedure for production of metal items with specified structure condition after thermal treatment consists in laboratory determination of temperature curve for heat treatment of material sample of metal item. This curve should facilitate obtaining specified structure state of item material. Further, the procedure consists in defining intervals of thermal treatment under conditions of following modes of thermal treatment corresponding to obtained temperature curve, in considering cooling effect on surface of item with control of heat flow along surface of item in each interval of heat treatment, and in facilitating compliance of obtained and specified temperature curves by method of iteration in volume of item with consideration of energy release in volume of item during physical and chemical conversion. Heat flow is determined out of expression: Q = [(H'+H0'-qΔm)-(H+H0)]/Δt, J/f, where H and H0 are initial enthalpies of phases, J, H' and H0' are enthalpies of phases, J, in a time interval, Δt, s; Δm is change of weight of phases, kg, during specified interval of time; q is specific energy release, J/kg.
EFFECT: stabilisation of process effects, minimisation or complete avoiding rejects during production of items with required mechanical properties.
1 ex, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области термической обработки деталей из металлических материалов, в том числе имеющих сложную форму.The invention relates to the field of heat treatment of parts made of metal materials, including those having a complex shape.

Известен способ термической обработки деталей из металлических материалов, имеющих сложную форму, в частности рельсов, включающий непрерывное охлаждение головки с последующим регулируемым охлаждением элементов профиля рельса. Рельс с прокатного нагрева подстуживают до температуры 820-870°С и охлаждают в двух средах: первоначально сжатым воздухом с поверхности головки в течение 20-30 с при расходе воздуха 3000-4000 м3/ч, при температуре воздуха 10-25°С и давлении 0,55 МПа, затем производят охлаждение головки водовоздушной смесью при расходе воды 25-30 л/мин, температуре воды 10-30°С и давлении 0,3-0,4 МПа, одновременно с охлаждением головки рельса производится охлаждение подошвы водовоздушной смесью при температуре воды 10-30°С, расходе 6-7 л/мин и давлении 0,08-0,09 МПа (RU 2280700 [1]). Недостатком известного способа является ограниченность его применения, обусловленная тем, что предлагаемые режимы термообработки подобраны экспериментальным путем исходя из требований к микроструктуре, прямолинейности изделий, механическим свойствам и твердости углеродистой стали и пригодны только для конкретного вида изделия (рельсы) и конкретной марки стали. Кроме того, указанный способ ориентирован на конкретную конфигурацию системы охлаждения, при изменении конструкции которой (например, числа, расположения и пропускной способности сопел подачи хладагента) большинство указанных цифровых данных изменятся и окажутся неприменимыми для охлаждающего оборудования другой конструкции.A known method of heat treatment of parts of metal materials having a complex shape, in particular rails, including continuous cooling of the head, followed by controlled cooling of the rail profile elements. The rail from rolling heating is cooled to a temperature of 820-870 ° C and cooled in two environments: initially compressed air from the surface of the head for 20-30 s at an air flow rate of 3000-4000 m 3 / h, at an air temperature of 10-25 ° C and pressure of 0.55 MPa, then the head is cooled with a water-air mixture at a water flow rate of 25-30 l / min, a water temperature of 10-30 ° C and a pressure of 0.3-0.4 MPa, while the rail head is cooled, the sole is cooled by a water-air mixture at a water temperature of 10-30 ° C, a flow rate of 6-7 l / min and a pressure of 0.08-0.09 MPa (RU 2280700 [1]). The disadvantage of this method is the limited application, due to the fact that the proposed heat treatment modes are selected experimentally based on the requirements for the microstructure, straightness of the products, mechanical properties and hardness of carbon steel and are suitable only for a specific type of product (rails) and a specific steel grade. In addition, this method is focused on the specific configuration of the cooling system, when changing the design of which (for example, the number, location and throughput of the refrigerant nozzles), most of these digital data will change and turn out to be inapplicable to cooling equipment of another design.

Известен способ термической обработки деталей из металлических материалов, имеющих сложную форму, в частности железнодорожных колес, включающий нагрев до температуры аустенизации, прерывистое охлаждение поверхностного слоя обода, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск. Расход охладителя в первые 20-40 с увеличивается линейно от 0,001-0,003 л/(см2·с) до оптимального значения, определяемого содержанием (С+1/4Mn), где С и Mn - процентное содержание в стали соответственно углерода и марганца (RU 2140997 [2]).A known method of heat treatment of parts made of metal materials having a complex shape, in particular railway wheels, including heating to an austenitizing temperature, intermittent cooling of the surface layer of the rim, subsequent exposure of the wheel to air and tempering. Cooler consumption in the first 20-40 s increases linearly from 0.001-0.003 l / (cm 2 · s) to the optimum value determined by the content (C + 1 / 4Mn), where C and Mn are the percentage of carbon and manganese in steel, respectively ( RU 2140997 [2]).

Если в этом способе подвергнуть ускоренному охлаждению обод колеса, то ступица колеса останется необработанной, вследствие чего здесь применяется процесс нормализации. Все это приводит в зоне обода колеса к соответствующим перепадам структуры и прочности в радиальном направлении. Известные установки имеют, как правило, управление по времени, т.е. объем и/или давление и тем самым, в основном, также температура охлаждающего средства неизменны, т.е. твердо установлены, так что влияние на структуру и прочность обода колеса оказывают в течение твердо заданного времени охлаждения. Измерение температуры или управляемое температурой охлаждение в режиме "он-лайн" в этой связи неизвестны. Влияние на нужные структурные или механические свойства оказывается неудовлетворительным, при этом внутренние напряжения в зоне обода колеса, если это вообще возможно, подвергаются влиянию очень неточно и потому также неудовлетворительно, поскольку практически невозможно контролировать процессы пластификации, которые в решающей степени определяют внутренние напряжения, в зоне перехода между остывающим ободом колеса и горячим диском в связи с тем, что контролируется только обод колеса, а структура или внутреннее напряжение диска не учитываются. Кроме того, недостатком известного способа является ограниченность его применения, обусловленная тем, что предлагаемые режимы термообработки подобраны экспериментальным путем исходя из требований к микроструктуре, механическим свойствам и твердости углеродистой стали и пригодны только для конкретного вида изделия (колеса), конкретной номенклатуры марок стали и конструкции оборудования.If the rim of the wheel is subjected to accelerated cooling in this method, the wheel hub will remain unprocessed, as a result of which the normalization process is applied here. All this leads in the zone of the wheel rim to the corresponding changes in structure and strength in the radial direction. Known installations have, as a rule, time control, i.e. the volume and / or pressure and thereby, basically, also the temperature of the coolant are constant, i.e. firmly installed, so that the structure and strength of the wheel rim are exerted during a predetermined cooling time. Temperature measurement or temperature-controlled on-line cooling is not known in this regard. The effect on the desired structural or mechanical properties is unsatisfactory, while the internal stresses in the rim zone of the wheel, if at all possible, are very inaccurate and therefore also unsatisfactory, since it is practically impossible to control the plasticization processes, which decisively determine the internal stresses, in the zone transition between the cooling wheel rim and the hot disk due to the fact that only the wheel rim is controlled, and the structure or internal voltage of the disk is not are read. In addition, the disadvantage of this method is its limited use, due to the fact that the proposed heat treatment modes are selected experimentally based on the requirements for microstructure, mechanical properties and hardness of carbon steel and are suitable only for a specific type of product (wheel), a specific nomenclature of steel grades and construction equipment.

Известен способ термической обработки деталей, имеющих форму тел вращения, из металлических материалов, в частности колес, колесных дисков и аналогичных дисков и колец и т.д. (RU 2277132 [3]). Для получения изделий с заданными свойствами способ предусматривает нагрев изделия до требуемой температуры и его последующее охлаждение, которое для различных участков объемов или поверхности обрабатываемой детали проводят по разному таким образом, что заданные зоны детали охлаждают с управлением или регулированием в режиме "он-лайн" за счет использования охлаждающей среды с управляемым объемным потоком.A known method of heat treatment of parts having the form of bodies of revolution, of metallic materials, in particular wheels, rims and similar disks and rings, etc. (RU 2277132 [3]). To obtain products with desired properties, the method involves heating the product to the desired temperature and its subsequent cooling, which is carried out differently for different parts of the volumes or surface of the workpiece so that the specified areas of the part are cooled with control or regulation on-line through the use of a controlled volume flow cooling medium.

Для каждой функциональной зоны детали, например колеса, можно целенаправленно управлять охлаждением для того, чтобы за счет времени охлаждения, вида охлаждающей среды, количества охлаждающего средства и/или последовательности охлаждения достичь в соответствующей зоне определенного и воспроизводимого установления механических свойств, например прочности, вязкости и, в частности, внутренних напряжений во всем колесе или в объеме бандажа колеса с включением всех функциональных зон детали, т.е. ступицы, диска и обода.For each functional area of a part, such as a wheel, it is possible to purposefully control cooling in order to achieve a certain and reproducible establishment of mechanical properties in the corresponding zone, due to the cooling time, type of cooling medium, amount of cooling medium and / or cooling sequence, for example, strength, viscosity and , in particular, internal stresses in the entire wheel or in the volume of the wheel brace with the inclusion of all functional areas of the part, i.e. hub, disc and rim.

Техническим результатом изобретения является упрощение лабораторных исследований и снижение материальных затрат при разработке технологии термообработки, стабилизация процесса реализации технологических воздействий, минимизация или полное исключение брака в процессе получения изделий с требуемыми механическими свойствами.The technical result of the invention is to simplify laboratory research and reduce material costs in the development of heat treatment technology, stabilize the process of implementing technological influences, minimize or completely eliminate rejection in the process of obtaining products with the required mechanical properties.

Для достижения технического результата заявлен способ получения металлоизделия с заданным структурным состоянием после термической обработки, включающий лабораторное определение температурной кривой термообработки образца материала металлоизделия, обеспечивающей достижение заданного структурного состояния материала изделия, задание интервалов термообработки из условия соблюдения режимов термообработки, соответствующих полученной температурной кривой и осуществления охлаждающего воздействия на поверхность изделия с регулированием теплового потока по поверхности изделия в каждом интервале термообработки и с обеспечением получения методом итерации в объеме изделия совпадения температур полученной и заданной температурных кривых с учетом энерговыделения в объеме изделия при химическом и фазовом превращении, при этом упомянутый тепловой поток определяют из выраженияTo achieve a technical result, the claimed method for producing metal products with a given structural state after heat treatment, including laboratory determination of the temperature curve of the heat treatment of a sample of metal material, ensuring the achievement of a given structural state of the material of the product, setting heat treatment intervals from the conditions of compliance with the heat treatment modes corresponding to the obtained temperature curve and cooling impact on the surface of the product with adjustable vaniem heat flux over the surface of each product in the range of heat treatment and with ensuring receipt by iteration in a volume of temperature matching products obtained and the target temperature curves with the energy in the bulk product in chemical and phase transformation, wherein said heat flux is determined from the expression

Q=[(H′+H0′-qΔm)-(H+H0)]/Δt, Дж/с,Q = [(H ′ + H 0 ′ -qΔm) - (H + H 0 )] / Δt, J / s,

где Н и Н0 - начальные энтальпии фаз в Дж, Н′ и Н0′ - энтальпии фаз в Дж через интервал времени Δt в секундах, Δm - изменение массы фаз в кг в течение заданного интервала времени, q - удельное энерговыделение, Дж/кг.where Н and Н 0 are the initial enthalpies of phases in J, Н ′ and Н 0 ′ are the enthalpies of phases in J over a time interval Δt in seconds, Δm is the change in the mass of phases in kg during a given time interval, q is the specific energy release, J / kg

При осуществлении способа расчет охлаждающего воздействия производят путем решения системы уравнений, включающей в себя уравнение теплопроводности в общем видеWhen implementing the method, the calculation of the cooling effect is carried out by solving a system of equations that includes the heat equation in general

dQ=L·∇T·dS·dt,dQ = L · ∇T · dS · dt,

где dQ - поток тепла через поверхность dS, м2 за время dt в с, измеряемый в Дж, L - коэффициент теплопроводности, Дж/К·м·с, ∇T - градиент температуры в К/м; или уравнение теплового баланса в общем видеwhere dQ is the heat flux through the surface dS, m 2 during the time dt in s, measured in J, L is the thermal conductivity coefficient, J / K · m · s, ∇T is the temperature gradient in K / m; or the heat balance equation in general

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

Где Qs - поток тепла через элемент dS, м2 поверхности S, м2, ограничивающей объем V, м3, измеряемый в Дж/м2·с, dh - изменение удельной энтальпии объема dV, м3 за время dt, с., измеряемое в Дж/м3;Where Qs is the heat flux through the element dS, m 2 of the surface S, m 2 bounding the volume V, m 3 measured in J / m 2 · s, dh is the change in the specific enthalpy of the volume dV, m 3 during the time dt, s., measured in J / m 3 ;

уравнение сохранения энергии, учитывающее энерговыделение за счет изменения химического и фазового состава материала обрабатываемого металлоизделияenergy conservation equation that takes into account energy release due to changes in the chemical and phase composition of the material of the processed metal

H+H0=H′+H0′-qΔm,H + H 0 = H ′ + H 0 ′ -qΔm,

где Н и Н0 - начальные энтальпии фаз, Дж, Н′ и Н0′ - энтальпии фаз, Дж через время Δt,c, q - удельное энерговыделение при фазовом превращении, Дж/кг, Δm - изменение массы фаз, кг в течение заданного промежутка времени;where H and H 0 are the initial enthalpies of the phases, J, H ′ and H 0 ′ are the enthalpies of the phases, J after time Δt, c, q is the specific energy release during the phase transformation, J / kg, Δm is the change in the mass of the phases, kg during a specified period of time;

и кинетические уравнения, описывающие фазовые и химические превращения в объеме изделия вида

Figure 00000002
для случая, когда не произошло столкновения границ зерен растущей фазы или фронтов концентрационных возмущений и
Figure 00000003
для случая, когда столкновение уже произошло, где η - безразмерное локальное относительное содержание растущей фазы, ki=ki(T, ΔT) - кинетические коэффициенты, с-1, Т - локальная температура, а ΔТ - отклонение локальной температуры от температуры фазового равновесия, К, q - удельное энергвыделение, Дж/кг.and kinetic equations describing phase and chemical transformations in the volume of a product of the form
Figure 00000002
for the case when there was no collision of grain boundaries of the growing phase or fronts of concentration perturbations and
Figure 00000003
for the case when the collision has already occurred, where η is the dimensionless local relative content of the growing phase, k i = k i (T, ΔT) are kinetic coefficients, s -1 , T is the local temperature, and ΔT is the deviation of the local temperature from the phase temperature equilibrium, K, q - specific energy release, J / kg.

Указанный результат достигается также тем, что при расчете теплового воздействия в системе уравнений используют кинетические коэффициенты, имеющие вид k1=c1×ΔT0,

Figure 00000004
,
Figure 00000005
, где ΔT - отклонение температуры от температуры фазового равновесия, ΔТ0 - отклонение температуры от температуры фазового равновесия в момент начала фазового превращения; c1, c2 - кинетические константы.The indicated result is also achieved by the fact that when calculating the thermal effect in the system of equations, kinetic coefficients are used, having the form k 1 = c 1 × ΔT 0 ,
Figure 00000004
,
Figure 00000005
where ΔT is the temperature deviation from the temperature of phase equilibrium, ΔT 0 is the temperature deviation from the temperature of phase equilibrium at the moment of the beginning of the phase transformation; c 1 , c 2 are kinetic constants.

Кроме того, в некоторых случаях реализации между стадиями нагрева и охлаждения могут осуществляться другие технологические операции, например механическая обработка (прокатка, волочение, ковка, прессование и пр.), и может быть использовано ускоренное охлаждение проката с прокатного нагрева.In addition, in some cases, between the stages of heating and cooling, other technological operations can be carried out, for example, machining (rolling, drawing, forging, pressing, etc.), and accelerated cooling of the car from rolling heating can be used.

Лабораторное определение температурных кривых термообработки, приводящих к достижению заданных свойств материала изделий, необходимо для того, чтобы в дальнейшем рассчитать тепловое воздействие на поверхность изделия и обеспечить их реализацию в каждом выбранном участке объема изделия с учетом того, что требования к свойствам различных участков изделия могут быть различными, вплоть до того, что изделие может иметь сложную форму или состоять из частей, изготовленных из разных материалов. К тому же, это позволяет существенно упростить способ и снизить материальные затраты на его реализацию, поскольку определение температурных кривых термообработки можно осуществлять на образцах простой формы - прутках, пластинках и т.п.The laboratory determination of the temperature curves of heat treatment leading to the achievement of the desired properties of the product material is necessary in order to further calculate the thermal effect on the surface of the product and ensure their implementation in each selected section of the product volume, taking into account that the requirements for the properties of different sections of the product can be various, up to the fact that the product may have a complex shape or consist of parts made of different materials. In addition, this makes it possible to significantly simplify the method and reduce material costs for its implementation, since the determination of the temperature curves of heat treatment can be carried out on samples of a simple form - rods, plates, etc.

Расчет необходимого теплового воздействия на поверхность реального изделия, обеспечивающего реализацию полученных температурных кривых в объеме изделия и тепловое воздействие на изделие в соответствии с полученным расчетом позволяет отказаться от предварительных дорогостоящих экспериментов на реальных изделиях, необходимых для того, чтобы определить их механические свойства в различных участках объема изделия, получаемые в зависимости от режимов охлаждения.Calculation of the necessary thermal effect on the surface of a real product, ensuring the implementation of the obtained temperature curves in the volume of the product and the thermal effect on the product in accordance with the calculation, allows us to abandon preliminary expensive experiments on real products necessary to determine their mechanical properties in different parts of the volume products obtained depending on the cooling conditions.

Осуществление расчета теплового воздействия путем решения уравнения теплопроводности в общем видеCalculation of thermal effects by solving the heat equation in general

dQ=L·∇T·dS·dt,dQ = L · ∇T · dS · dt,

или уравнения теплового баланса в общем видеor heat balance equations in general

Figure 00000006
,
Figure 00000006
,

позволяет наиболее простым путем определить необходимое тепловое воздействие, обеспечивающее охлаждение изделия по температурным кривым, приводящим к формированию в них структур с заданными механическими свойствами.allows the simplest way to determine the necessary thermal effect, providing cooling of the product according to temperature curves, leading to the formation of structures with specified mechanical properties in them.

Решение указанных выше уравнений совместно с кинетическими уравнениями, описывающими фазовые превращения в объеме изделия вида

Figure 00000007
для случая, когда не произошло столкновения границ зерен растущей фазы и
Figure 00000008
для случая, когда столкновение уже произошло, и совместно с уравнением сохранения энергии, учитывающим энерговыделение за счет изменения химического и фазового состава материала обрабатываемого металлоизделияThe solution of the above equations together with kinetic equations describing phase transformations in the volume of a product of the form
Figure 00000007
for the case when there was no collision of the grain boundaries of the growing phase and
Figure 00000008
for the case when the collision has already occurred, and together with the energy conservation equation that takes into account energy release due to changes in the chemical and phase composition of the material of the processed metal

H+H0=H'+H0'+qΔm,H + H 0 = H '+ H 0 ' + qΔm,

необходимо для того, чтобы учесть тепловыделения в объеме изделия при фазовых превращениях в материале изделий, что является необходимым условием для проведения корректного теплофизического расчета и управления реальной технологией термообработки.It is necessary in order to take into account the heat release in the product volume during phase transformations in the product material, which is a necessary condition for the correct thermophysical calculation and control of the real heat treatment technology.

Определение необходимого закона регулирования распределения теплового потока по поверхности изделия прогнозирующим расчетом с глубиной прогнозирования на весь период термообработки нужно для того, чтобы проверить возможность реализации полученных в лабораторных условиях температурных кривых при получении реальных изделий; разработать технологию рассчитанного теплового и технологического воздействия на поверхность изделия при его термообработке и корректировать технологию в режиме реального времени, парируя возникающие отклонения и возмущения.The determination of the necessary law for regulating the distribution of the heat flux over the product’s surface by a predictive calculation with the forecasting depth for the entire heat treatment period is necessary in order to check the feasibility of realizing the temperature curves obtained in laboratory conditions when obtaining real products; to develop a technology for the calculated thermal and technological impact on the surface of the product during its heat treatment and to adjust the technology in real time, fending off the deviations and disturbances.

Разбиение периода термообработки на интервалы позволяет выделить участки процесса, на которых технология неизменна и тем самым организовать итерационный процесс вычислений, задать технологические воздействия на поверхность изделия в виде зависимости их от времени.Dividing the heat-treatment period into intervals makes it possible to identify the process areas where the technology is unchanged and thereby organize the iterative process of calculations, set the technological effects on the surface of the product in the form of their dependence on time.

Определяют тепловое воздействие на поверхность изделия итерациями, добиваясь совпадения результатов расчетного и заданного значения температуры на выбранном интервале - указанное действие (итерационный процесс) обеспечивает вычисление требуемых тепловых потоков на поверхность изделия, поскольку отсутствует возможность их прямого вычисления вследствие того, что с математической точки зрения это является обратной некорректной задачей.Determine the thermal effect on the surface of the product by iterations, achieving the coincidence of the results of the calculated and set temperature values on the selected interval - the specified action (iterative process) provides the calculation of the required heat fluxes on the surface of the product, since there is no possibility of their direct calculation due to the fact that from a mathematical point of view, this is an inverse incorrect problem.

Длительность интервалов выбирают исходя из необходимости соблюдения допусков на режимы термообработки, определяемых температурной кривой, так как при слишком длинных интервалах постоянная величина тепловых потоков на поверхности изделия неизбежно приведет к выходу температуры какого-либо участка его объема за пределы допусков. Вместе с тем, слишком короткие интервалы увеличивают требования к используемым вычислительным мощностям и управляющей системе установки термообработки.The duration of the intervals is chosen on the basis of the need to comply with the tolerances for the heat treatment regimes determined by the temperature curve, since at too long intervals the constant value of the heat fluxes on the surface of the product will inevitably lead to the temperature of any part of its volume going beyond the tolerances. However, too short intervals increase the requirements for the used computing power and the control system of the heat treatment installation.

Сущность заявляемого способа поясняется примером его реализации.The essence of the proposed method is illustrated by an example of its implementation.

Была поставлена задача определить режимы охлаждения, необходимые для получения перлитной структуры в проволоке диаметром 2 мм из стали 80, имеющей следующий химический состав: 0,81% С; 0,52% Mn; 0,017% S; 0,28% Si; 0,009% Р; 0,08% Cr; 0,05% Ni; 0,006% Al; 0,04% Cu; остальное Fe.The task was to determine the cooling regimes necessary to obtain a pearlite structure in a wire with a diameter of 2 mm from steel 80 having the following chemical composition: 0.81% C; 0.52% Mn; 0.017% S; 0.28% Si; 0.009% P; 0.08% Cr; 0.05% Ni; 0.006% Al; 0.04% Cu; the rest is Fe.

Для проволоки указанного диаметра отсутствует возможность поставить модельный эксперимент с фиксацией температуры по показаниям зачеканенной в изделие термопары. Поэтому с целью лабораторного определения температурных кривых термообработки, приводящих к достижению заданных свойств материала изделий, брали пруток из указанной стали диаметром 8 мм и длиной не менее 30-40 диаметров для исключения продольного теплообмена. В середине прутка на глубину 0.5 радиуса (2 мм) зачеканивали термопару. Показания термопары во время эксперимента записывали с помощью компьютерной системы регистрации. Поместили пруток в печь и нагревали его до температуры 1070°С, превышающей максимально возможную температуру в реальной технологии, обеспечивая тем самым гарантированное получение аустенитной структуры. После нагрева пруток охлаждали на воздухе, подвергая материал прутка фазовому превращению «аустенит-перлит», поскольку сталь имеет химический состав, близкий к эвтектоидному. Результаты записи показаний термопар в таком эксперименте приведены на графике (см. чертеж).For a wire of the indicated diameter, it is not possible to carry out a model experiment with fixing the temperature according to the readings of a thermocouple stamped into the product. Therefore, for the purpose of laboratory determination of the temperature curves of heat treatment, leading to the achievement of the desired properties of the material of the products, we took a bar of the specified steel with a diameter of 8 mm and a length of at least 30-40 diameters to exclude longitudinal heat transfer. A thermocouple was minted in the middle of the bar to a depth of 0.5 radius (2 mm). The thermocouple readings during the experiment were recorded using a computer recording system. They placed the bar in the furnace and heated it to a temperature of 1070 ° C, exceeding the maximum possible temperature in real technology, thereby ensuring guaranteed obtaining of an austenitic structure. After heating, the bar was cooled in air, subjecting the bar material to the austenite-perlite phase transformation, since the steel has a chemical composition close to eutectoid. The results of recording thermocouple readings in such an experiment are shown in the graph (see drawing).

На кривой охлаждения в районе 100-й и 620-й секунд эксперимента явно видны S-образные участки, соответствующие тепловыделениям при фазовом превращении. Таким образом, для расчета теплового воздействия на пруток, соответствующего экспериментально полученной температурной кривой, необходимо применять систему уравнений, описывающую теплопередачу по толщине образца прутка и фазовое превращение в материале.On the cooling curve in the region of the 100th and 620th seconds of the experiment, S-shaped regions corresponding to the heat released during the phase transformation are clearly visible. Thus, to calculate the thermal effect on the bar corresponding to the experimentally obtained temperature curve, it is necessary to apply a system of equations describing the heat transfer along the thickness of the bar sample and the phase transformation in the material.

Для количественной обработки выбирали участок кривой, соответствующий охлаждению его на воздухе (570-я - 700-я секунды эксперимента).For quantitative processing, we selected a portion of the curve corresponding to its cooling in air (570th - 700th seconds of the experiment).

С целью определить необходимое тепловое воздействие, обеспечивающее охлаждение изделия по температурным кривым, приводящим к формированию в них структур с заданными механическими свойствами, записывали уравнение теплопроводности в общем видеIn order to determine the necessary thermal effect, providing cooling of the product according to temperature curves, leading to the formation of structures with specified mechanical properties in them, the heat equation in general form was written

dQ=L·∇T·dS·dt,dQ = L · ∇T · dS · dt,

где dQ - поток тепла через поверхность dS в м2 за время dt в секундах, измеряемый в Дж, L - коэффициент теплопроводности в Дж/К·м·с, ∇T - градиент температуры в К/м.where dQ is the heat flux through the surface dS in m 2 during the time dt in seconds, measured in J, L is the thermal conductivity in J / K · m · s, ∇T is the temperature gradient in K / m.

Для этого все сечение прутка разбивали концентрическими окружностями с шагом не более 1/50 радиуса. На каждом из полученных слоев считали термодинамические условия и фазовое состояние материала одинаковыми.To do this, the entire cross-section of the bar was divided by concentric circles with a step of no more than 1/50 of the radius. On each of the obtained layers, the thermodynamic conditions and the phase state of the material were considered the same.

Уравнение теплопроводности в этом случае примет вид:The heat equation in this case will take the form:

Q=Q =

Figure 00000009
, где λ - коэффициент теплопроводности (справочное значение) [Дж/м·с·град], dT/dr - градиент температуры по радиусу образца
Figure 00000009
where λ is the thermal conductivity coefficient (reference value) [J / m · s · deg], dT / dr is the temperature gradient along the radius of the sample для внутреннего теплового потока (между слоями)for internal heat flow (between layers) ε·σ·T4, где ε, равный 0,8, - безразмерный коэффициент черноты стали, σ - постоянная Больцмана, имеющая размерность Дж/м2·с·град4, Т - температура поверхности образцаε · σ · T 4 , where ε equal to 0.8 is the dimensionless blackness coefficient of steel, σ is the Boltzmann constant, having a dimension of J / m 2 · s · deg 4 , T is the temperature of the sample surface для внешнего теплового потока (для внешней стороны поверхностного слоя)for external heat flux (for the outer side of the surface layer)

Уравнение сохранения энергии, учитывающее энерговыделение за счет изменения химического и фазового состава материала обрабатываемого металлоизделия:The energy conservation equation, taking into account energy release due to changes in the chemical and phase composition of the material of the processed metal:

H+H0=H'+H0'-qΔm-QΔt,H + H 0 = H '+ H 0 ' -qΔm-QΔt,

где Н и Н0 - начальные энтальпии фаз в Дж, Н′ и Н0′ - начальные энтальпии фаз в Дж через время Δt в секундах, q - удельное энерговыделение при фазовом превращении в Дж/кг, Δm - изменение массы фаз в кг в течение заданного промежутка времени, Q - приток тепла из окружающей среды в Дж/с,where Н and Н 0 are the initial enthalpies of phases in J, Н ′ and Н 0 ′ are the initial enthalpies of phases in J after a time Δt in seconds, q is the specific energy release during phase transformation in J / kg, Δm is the change in the mass of phases in kg in for a given period of time, Q is the influx of heat from the environment in J / s,

для каждого слоя разностной сетки примет вид:for each layer of the difference grid will take the form:

Figure 00000010
Figure 00000010

где cm (в Дж/кг·град) - теплоемкость начальной фазы, сп (в Дж/кг·град) - теплоемкость конечной фазы, m0 (в кг) - масса слоя конечно-разностной сетки, q (Дж/кг) - тепловой эффект фазового превращения, Q (Дж) - приток тепла снаружи, η - безразмерная массовая доля конечной фазы в материале (безразмерное локальное относительное содержание растущей фазы). Данные без штриха и со штрихом относятся к начальному и конечному значениям выбранного отрезка времени соответственно.where c m (in J / kg · deg) is the heat capacity of the initial phase, s n (in J / kg · deg) is the heat capacity of the final phase, m 0 (in kg) is the mass of the finite difference mesh layer, q (J / kg ) is the thermal effect of the phase transformation, Q (J) is the heat flux outside, η is the dimensionless mass fraction of the final phase in the material (dimensionless local relative content of the growing phase). Data without a dash and a dash refer to the initial and final values of the selected time interval, respectively.

Концентрация конечного фазового состояния (перлита) при фазовом превращении описывалась кинетическим уравнением:The concentration of the final phase state (perlite) during the phase transformation was described by the kinetic equation:

Figure 00000011
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000012
для случая, когда переработано менее половины исходного фазового состояния (аустенита).for the case when less than half of the initial phase state (austenite) is processed.
Figure 00000013
Figure 00000013
для случая, когда переработано более половины исходного фазового состояния (аустенита).for the case when more than half of the initial phase state (austenite) is processed.

Здесь:Here:

k1=c1×ΔT0 k 1 = c 1 × ΔT 0

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

ΔT, К, - отклонение температуры от температуры фазового равновесия, ΔТ0, К - отклонение температуры от температуры фазового равновесия в момент начала фазового превращения, c1 (имеющая размерность град-1) и с2 (измеряемая в град -4/3) - кинетические константы.ΔT, K, is the deviation of the temperature from the temperature of phase equilibrium, ΔT 0 , K is the deviation of the temperature from the temperature of phase equilibrium at the beginning of the phase transformation, c 1 (having a dimension of deg -1 ) and c 2 (measured in deg -4/3 ) are kinetic constants.

Решая численно систему указанных уравнений, добивались подбором соответствующих параметров (теплоемкости, критической температуры, дефекта энергии, времени индукции, кинетических констант) совпадения экспериментальной и расчетной кривых. Для данного эксперимента теплоемкость при температуре 737°С (до начала фазового превращения) равна 630 Дж/кг·град, при температуре 617°С (после завершения фазового превращения) - 660 Дж/кг·град, дефект энергии равен 7.7·104 Дж/кг, критическая температура 752°С, время индукции 26 с, кинетические константы c1=10-7, c2=3.5·10-4.Solving numerically the system of the indicated equations, we achieved the selection of the corresponding parameters (heat capacity, critical temperature, energy defect, induction time, kinetic constants) for the coincidence of the experimental and calculated curves. For this experiment, the specific heat at a temperature of 737 ° C (before the start of the phase transformation) is 630 J / kg · deg, at a temperature of 617 ° C (after the completion of the phase transformation) - 660 J / kg · deg, the energy defect is 7.7 · 10 4 J / kg, critical temperature 752 ° С, induction time 26 s, kinetic constants c 1 = 10 -7 , c 2 = 3.5 · 10 -4 .

Затем проводили материаловедческие исследования использованного в эксперименте модельного образца с целью определения его структурного состояния. Образец целиком имел перлитную структуру. Расчет теплового потока с поверхности с помощью приведенных уравнений и найденных выше термокинетических параметров показал, что тепловой поток в момент фазового превращения составлял ~34.4 кВт/м2·с (при температуре 660°С).Then, material science studies of the model sample used in the experiment were carried out in order to determine its structural state. The entire sample had a pearlite structure. Calculation of the heat flux from the surface using the above equations and the thermokinetic parameters found above showed that the heat flux at the time of the phase transformation was ~ 34.4 kW / m 2 · s (at a temperature of 660 ° C).

Таким образом, для получения перлитной структуры проволоки диаметром 2 мм необходимо нагреть ее до температуры выше температуры аустенизации (в данном случае - выше 737°С), а затем - охладить. Скорость охлаждения до температуры 737°С непринципиальна. Дальнейшее охлаждение производится любым способом, обеспечивающим отток тепла с поверхности металла в диапазоне 26.3-47.2 кВт/м2·с вплоть до полного завершения фазового превращения (например, до достижения им температуры 600°С). Далее режим охлаждения может быть также произвольным.Thus, to obtain a pearlite structure of a wire with a diameter of 2 mm, it is necessary to heat it to a temperature above the austenization temperature (in this case, above 737 ° C), and then cool it. The cooling rate to a temperature of 737 ° C is unprincipled. Further cooling is carried out in any way that ensures the outflow of heat from the metal surface in the range of 26.3-47.2 kW / m 2 · s until the complete phase transformation is completed (for example, until it reaches a temperature of 600 ° C). Further, the cooling mode may also be arbitrary.

Claims (1)

Способ получения металлоизделия с заданным структурным состоянием после термической обработки, включающий лабораторное определение температурной кривой термообработки образца материала металлоизделия, обеспечивающей достижение заданного структурного состояния материала изделия, задание интервалов термообработки из условия соблюдения режимов термообработки, соответствующих полученной температурной кривой, и осуществления охлаждающего воздействия на поверхность изделия с регулированием теплового потока по поверхности изделия в каждом интервале термообработки и с обеспечением получения методом итерации в объеме изделия совпадения температур полученной и заданной температурных кривых с учетом энерговыделения в объеме изделия при химическом и фазовом превращении, при этом упомянутый тепловой поток определяют из выражения:
Q=[(H′+H0′-qΔm)-(H+H0)]/Δt, Дж/с,
где Н и Н0 - начальные энтальпии фаз, Дж;
Н′ и Н0′ - энтальпии фаз, Дж, через интервал времени Δt, с;
Δm - изменение массы фаз, кг, в течение заданного интервала времени;
q - удельное энерговыделение, Дж/кг.
A method of obtaining metal products with a given structural state after heat treatment, including laboratory determination of the temperature curve of the heat treatment of a sample of metal material, ensuring the achievement of a given structural state of the material of the product, setting heat treatment intervals from the conditions for observing the heat treatment modes corresponding to the obtained temperature curve, and performing a cooling effect on the surface of the product with regulation of heat flow over the surface of the product in each heat treatment interval and ensuring that iterations in the product volume match the temperatures of the obtained and given temperature curves, taking into account the energy release in the product’s volume during chemical and phase transformation, the heat flux being determined from the expression:
Q = [(H ′ + H 0 ′ -qΔm) - (H + H 0 )] / Δt, J / s,
where H and H 0 are the initial enthalpies of phases, J;
H ′ and H 0 ′ are the enthalpies of phases, J, over a time interval Δt, s;
Δm is the change in phase mass, kg, over a given time interval;
q is the specific energy release, J / kg.
RU2009143906/02A 2009-11-27 2009-11-27 Procedure for thermal treatment of items out of steel and alloys RU2413777C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009143906/02A RU2413777C1 (en) 2009-11-27 2009-11-27 Procedure for thermal treatment of items out of steel and alloys

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009143906/02A RU2413777C1 (en) 2009-11-27 2009-11-27 Procedure for thermal treatment of items out of steel and alloys

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2413777C1 true RU2413777C1 (en) 2011-03-10

Family

ID=46311132

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009143906/02A RU2413777C1 (en) 2009-11-27 2009-11-27 Procedure for thermal treatment of items out of steel and alloys

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2413777C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655458C1 (en) * 2017-06-02 2018-05-28 Антон Владимирович Шмаков Method for determining a specific thermal effect of phase transformation
RU2729801C1 (en) * 2019-10-25 2020-08-12 Антон Владимирович Шмаков Method of producing rolled steel

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655458C1 (en) * 2017-06-02 2018-05-28 Антон Владимирович Шмаков Method for determining a specific thermal effect of phase transformation
RU2729801C1 (en) * 2019-10-25 2020-08-12 Антон Владимирович Шмаков Method of producing rolled steel

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Anelli Application of mathematical modelling to hot rolling and controlled cooling of wire rods and bars
Bhargava et al. Forming limit diagram of Advanced High Strength Steels (AHSS) based on strain-path diagram
Samuel et al. Residual stress and distortion during quench hardening of steels: a review
Li et al. Experimental study and numerical simulation of dynamic recrystallization behavior of a micro-alloyed plastic mold steel
Rao et al. Study of fractional softening in multi-stage hot deformation
Pola et al. Simulation and validation of spray quenching applied to heavy forgings
Kumar et al. Modelling of flow stress and prediction of workability by processing map for hot compression of 43CrNi steel
Rodrigues et al. Dynamic transformation of an X70 steel under plate rolling conditions
Kolbasnikov et al. Surface-crack formation in the manufacture of microalloyed steel pipe
RU2413777C1 (en) Procedure for thermal treatment of items out of steel and alloys
Xu et al. Evolution of residual stress and microstructure during annealing of 30SiMn2MoVA high-strength alloy steel tube processed by cold radial forging
Liu et al. The analysis of phase transformation for the prediction of microstructure change after hot forming
Wang et al. Estimation of heat transfer coefficient and phase transformation latent heat by modified pattern search method
Fabrègue et al. Nano-twinned steel exhibits high mechanical properties obtained through ultra-rapid heat treatment
Ham et al. Critical cooling rate on carbide precipitation during quenching of austenitic manganese steel
Pohanka et al. Design of cooling units for heat treatment
Skubisz et al. Automated determination and on-line correction of emissivity coefficient in controlled cooling of drop forgings
Ogoltcov et al. Practical Use of Computer Model STAN 2000 for Improvement and Creation of Regimes for Hot Rolling of Steels on SEVERSTAL Mill 2000
Hernández-Morales et al. Effect of heating rate and silicon content on kinetics of austenite formation during continuous heating
Epp et al. Interdependence of distortion and residual stress relaxation of cold-rolled bearing rings during heating
JP6962084B2 (en) A method for determining the cooling rate of a steel pipe and a method for manufacturing a steel pipe using the method.
Filep et al. Residual stress distribution caused by laser hardening and conventional quenching in plain carbon steel
Serajzadeh et al. Effects of deformation parameters on the final microstructure and mechanical properties in warm rolling of a low-carbon steel
Stewart et al. Process design for quenching and partitioning of plate steels
JP4144476B2 (en) Forging normalization simulation method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171128