Влияние технологических факторов на механические свойства углового проката при термомеханическом упрочнении

Джаксымбетова М.А.-магистрант,Канаев А.Т.- д.т.н., профессор

Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, Астана, Казахстан

Одной из важнейших и актуальных проблем металлургического производства продолжают оставаться улучшение качества металлопродукции и снижение ее себестоимости путем совершенствования и интенсификации процессов прокатки и термообработки с целью повышения конкурентоспособности массовых видов сортового проката, выпускаемых десятками и сотнями тысяч тонн. Наиболее перспективным решением этой проблемы является совмещение процессов горячей деформации с последующей упрочняющей термической обработкой в едином технологическом потоке прокатки.

Выполненные исследования по этому актуальному направлению улучшения качества и повышения конкурентоспособности металлопродукции показывают, что при совмещении горячей пластической деформации с последующей термической обработкой необходимо создать оптимальную структуру материала путем рационального регламентирования несовершенств кристаллической структуры. Здесь важнейшим является то обстоятельство, когда наличие несовершенств реального кристаллического строения не игнорируется, а они в той или иной мере сознательно используются для достижения поставленных целей. Путем наложения горячего наклепа аустенита на фазовые превращения при термической обработке, при которой дефекты кристаллической решетки «наследуются» последующей упрочняющей термообработкой, можно получить комплекс высоких механических свойств, что особенно важно для малоуглеродистых слабозакаливающихся сталей. Это, в свою очередь, открывает перспективу замены дорогих легированных сталей упрочненными малоуглеродистыми сталями обыкновенного качества.

Важное теоретическое и практическое значение имеет установление того факта, что горячая пластическая деформация, осуществляемая при температурах, превышающих температуру рекристаллизации, далеко не означает неизбежного получения рекристаллизованного (разупрочненного) состояния. Когда имеют в виду, что процесс идет выше температуры рекристаллизации, это означает лишь, что при данной температуре может быть получено полностью рекристаллизованное состояние. Однако, как возврат (отдых и полигонизация), так и рекристаллизация (первичная и собирательная) – это многостадийные процессы, идущие во времени, их развитие может быть в значительной степени подавлено даже при высоких температурах. Так, варьируя четыре основных параметра деформации: степень, скорость, температуру деформации и длительность последеформационной паузы можно получить полный набор структурных состояний, начиная от состояния горячего наклепа до полного рекристаллизованного (разупрочненного) состояния. Об этом свидетельствует структура горячедеформированного аустенита и ее изменение в зависимости от температуры деформации и длительности последеформационной пауз. Показано, что варьируя основными температурно-временными параметрами деформации можно получить полный набор структурных состояний, а, следовательно, и физико-механических свойств[1,2].

Как известно, к настоящему времени предложено много путей повышения прочностных, пластических и вязких свойств сталей и сплавов. Однако самым реальным, эффективным и технологически приемлемым путем решения этой проблемы является применение совмещенной деформационно-термической обработки, представляющей собой совокупность двух эффективных способов упрочнения: деформационного от пластической деформации и термического от фазовых превращений при термической обработке.

При совмещенной деформационно-термической обработке производится интенсивное и регулируемое охлаждение горячее деформированного аустенита непосредственно на выходе из чистовой клети прокатного стана, которое приводит к сильному измельчению структуры, а следовательно, обеспечению высоких механических свойств материала, чем при охлаждении на воздухе, как это имеет место на действующих прокатных станах. Такое комплексное воздействие на сплав (горячий наклеп совмещается с фазовым наклепом) кардинально меняет его зеренную и субзеренную структуру и физико-механические и эксплуатационные свойства конечных изделий.

Особенно высокой эффективностью обладают процессы совмещенного деформационно – термического упрочнения проката с использованием тепла прокатного нагрева.

Подобно тому, как разработка и освоение непрерывной разливки стали явилось своеобразной технической революцией в сталеплавильном производстве, совмещенную деформационно-термическую обработку можно считать такой же революцией в области прокатного и термического производства, поскольку она имеет бесспорные технико-экономические преимущества перед другими традиционными способами обработки.

Технические преимущества заключаются в возможности использования для упрочнения изделий нагрева (тепла) под прокатку, в меньшей длительности процесса, в получении более чистой от окалины поверхности и в возможности высокотемпературной термомеханической обработки, значительно повышающей механические и служебные характеристики стали.

Экономические преимущества включают отсутствие дополнительных расходов электроэнергии или топлива, резкое снижение потребности в рабочей силе, отсутствие нагревательных печей и другого оборудования, сокращение внутризаводских транспортных операций.

Из критического анализа результатов ранее выполненных экспериментальных исследований следует, что важнейшими технологическими факторами деформационно-термического упрочнения (ДТУ) низкоуглеродистых сталей, в которых разупрочняющие процессы в ходе и по окончании горячей деформации протекают с большой скоростью, являются: температура конца прокатки, пауза (выдержка) между окончанием горячей прокатки и началом интенсивного охлаждения и продолжительность самого интенсивного охлаждения, которые непосредственно влияют на температуру самоотпуска, следовательно, на уровень конечных механических свойств упрочняемого изделия[3,4].

Исходя из этих положений, проведены исследования влияния указанных технологических факторов на механические свойства равнополочных уголков 45 х 45 х 5, 63 х 63 х 6 из низкоуглеродистых сталей Ст.3сп и Ст.3кп. При этом установка интенсивного и регулируемого охлаждения размещалась таким образом, чтобы интенсивное охлаждение угловых профилей начиналось сразу (немедленно) после окончания горячей прокатки, т.е. Δτ=0 и через Δτ=5 с, Δτ=10 с. и заканчивалось через 2 секунды после входа раската в охлаждающее устройство. Содержание углерода в этих экспериментах было близко к верхнему пределу по ГОСТ 380-2010 (таблица ).

Влияние температуры конца горячей прокатки (t_к.п..), паузы между окончанием горячей прокатки и началом интенсивного охлаждения (Δτ) и продолжительности интенсивного охлаждения (τ) механические свойства равнополочных уголков из низкоуглеродистой стали Ст.3сп. (С- 0,21; Mn - 0,62; Si – 0,27; S < 0,06; P < 0,04; Cr – 0, 26);

Таблица - Давление охлаждающей воды в установке q= 0,5- 0,6МПа

Механические свойства: σв, σт, δ5	Единица измерения	Температура конца прокатки- tк.п.., ^0С			Параметры интенсивного охлаждения, Δτ, τ, q
		900	975	1070
σв	Н/мм^2	580	523	485	Δτ = 0 сек
σт	Н/мм^2	397	380	371	τ = 2 сек
δ5	%	14	19	21	q = 0,6 Мпа
σв	Н/мм^2	559	515	483	Δτ =5 сек
Продолжение таблицы
σт	Н/мм^2	383	376	347	τ = 2 сек
δ5	%	14	20,5	21	q = 0.55 Мпа
σв	Н/мм^2	513	482	461	Δτ = 10 сек
σт	Н/мм^2	375	339	288	τ = 2 сек
δ5	%	16	19	19	q = 0,5 Мпа
Примечание - В таблице приведены средние значения не менее чем из четырех измерений. Аналогичные данные получены и для уголка 63 х 63 х 6 из стали Ст.3кп.

Из приведенных экспериментальных данных видно, что для всех пауз (Δτ) снижение температуры конца прокатки с 1070 до 900 ⁰С (уголок 45 х 45 х 5) приводит к росту прочностных свойств, хотя при паузах Δτ =5 сек и Δτ = 10 сек рост прочностных свойств (σ_в и σ_т) ослабевает, причем в тем большей степени, чем больше пауза (Δτ = 10 сек). Этот экспериментальный факт интересен еще и тем, что рядовая низкоуглеродистая сталь Ст.3кп класса прочности С255 путем ДТУ может быть переведена в разряд строительных легированных сталей 12Г2С, 09Г2С класса прочности С345 по ГОСТ 27772- 2008 «Прокат для стальных строительных конструкций». При этом открывается перспектива замены горячекатаных легированных сталей типа 12Г2С, 09Г2С упрочненными углеродистыми сталями, т.е. возможность экономии легирующих элементов. Более того, кроме экономии легирующих элементов, замена горячекатаных легированных сталей упрочненными малоуглеродистыми сталями (при равной прочности) позволяет улучшить технологичность горячей пластической деформации, поскольку прокатка более прочной и твердой и менее пластичной легированной стали заменяется мягкой прокаткой более пластичной и менее твердой и прочной малоуглеродистой сталью [3,5].

Из данных таблицы также видно, что такая замена (в приведенных условиях технологических факторов) возможна только при немедленной закалке (пауза Δτ=0 сек), т.е. когда угловые профили интенсивно охлаждаются сразу после выхода из чистовой клети стана. При паузах Δτ =5 сек, Δτ=10 сек. процессы статической рекристаллизации получают тем большее развитие, чем больше пауза, что подтверждается данными других работ, где процессы статической первичной рекристаллизации получают существенное развитие за 0,5- 2,0 секунды.

Таким образом, оптимизация режимов обработки проката для производства деформационно-термически упрочненных равнополочных угловых профилей 45 х45х5 и 63х63х6 из сталей Ст.3сп и Ст.3кп. проведена в следующих направлениях.

а) снижение температуры конца прокатки (t_к.п) для уголка 45х45х5 с температуры 1070 до 900 ⁰С, а для уголка 63 х 63 х 6 с температуры 1070 до 940⁰С. Это способствует созданию развитой субструктуры в результате динамической полигонизации, приводящей к возрастанию удельной поверхности границ и субграниц, которые могут тормозить движение скользящих дислокаций.

б) уменьшение паузы между окончанием горячей прокатки и началом интенсивного охлаждения (Δτ) при постоянной продолжительности интенсивного охлаждения (τ). Минимальная пауза или немедленная закалка после горячей прокатки необходимы для сохранения полигонизованной структуры к началу мартенситного превращения и предотвращения статической рекристаллизации после окончания деформации проката из углеродистых и низколегированных сталей.

в) давление воды в камере интенсивного охлаждения должно поддерживаться на уровне 0,6 МПа. Это необходимо для достижения критической скорости закалки в поверхностных слоях слабозакаливающихся малоуглеродистых сталей.

Литература

1.Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Капуткина Л.М. Термомеханическая обработка стали. – М.: Металлургия, 1993. - 479 с.

2.Узлов И.Г., Савенков В.Я., Поляков С.Н. Термическое упрочнение проката, Киев, Техника, 1991,159 с.

3.Канаев А.Т. Исследование структуры и свойств стали после совмещенной деформационно-термической обработки. –Астана, 2012. – 192 с.

4.Черненко В.Т., Кудлай А.С., Пучиков А.В., Лесовицкий В.А. Разработка процесса термического упрочнения фланцевых профилей. Повышение качества термически обработанного проката. – М.: Металлургия, 1996. – с.19-20

5. Узлов И.Г., Пучиков А. В., Кудлай А.С.. Термомеханическое упрочнение фасонного проката методом прерванной закалки. //Металлургия и Горно-рудная промышленность. – 2004. -№ 6. - с.65-66