Д.т.н., Канаев А.Т., к.т.н. Ахмедьянов А.У., к.т.н. Киргизбаева К.Ж., магистр Джаксымбетова М.А., магистр Каршалова Д.Г.

Казахский агротехнический университет им.С.Сейфуллина, Евразийский Национальный Университет им.Л.Н.Гумилева

Исследование термического упрочнения угловых профилей

Важнейшими технологическими факторами деформационно-термического упрочнения 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; продолжительность самого интенсивного охлаждения, которые непосредственно влияют на температуру самоотпуска, следовательно, на уровень конечных механических свойств упрочняемого проката [1].

Исходя из этих положений, проведены исследования влияния указанных технологических факторов на механические свойства равнополочных уголков 45х45х5, 63х63х6 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=5с, Δτ=10с 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 (табл. 1).

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.); Давление охлаждающей воды в установке q= 0,5- 0,6Мпа [2].

Таблица 1 - Содержание углерода

Механические свойства: σв, σт, δ5	Единица измерения	Температура конца прокатки- tк.п., °С			Параметры интенсивного охлаждения, Δτ, τ, p
		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	p = 0,6 Мпа
σв	Н/мм^2	559	515	483	Δτ =5 сек
σт	Н/мм^2	383	376	347	τ = 2 сек
δ5	%	14	20,5	21	p = 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	p = 0,5 Мпа

Примечание. В таблице 1 приведены средние значения не менее чем из четырех измерений. Аналогичные данные получены и для уголка 63х63х6 из стали Ст.3кп.

Из приведенных экспериментальных данных видно, что для всех пауз (Δτ) снижение температуры конца прокатки с 1070 до 900°С (уголок 45х45х5) приводит к росту прочностных свойств, хотя при паузах Δτ =5секунд и Δτ = 10секунд рост прочностных свойств (σ_в и σ_т) ослабевает, причем в тем большей степени, чем больше пауза (Δτ=10сек). Этот экспериментальный факт интересен еще и тем, что рядовая низкоуглеродистая сталь Ст.3кп класса прочности С255 путем деформационно-термического упрочнения 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 дорогих 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 менее пластичной легированной стали заменяется мягкой прокаткой более пластичной и менее прочной малоуглеродистой сталью [3].

Из данных таблицы 1 также видно, что такая замена (в приведенных условиях технологических факторов) возможна только при немедленной закалке (пауза Δτ=0), т.е. когда угловые профили интенсивно охлаждаются сразу после выхода из чистовой клети стана. При паузах Δτ =5секунд, Δτ = 10секунд 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 45х45х5 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°С, а для уголка 63х63х6 с температуры 1070 до 940°С. 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 арматурных профилей из углеродистых и низколегированных сталей необходимы для сохранения полигонизованной структуры к началу мартенситного превращения и предотвращения статической рекристаллизации после окончания деформации проката;

в) давление воды в камере интенсивного охлаждения должно поддерживаться на уровне 0,6МПа. Это необходимо для достижения критической скорости закалки в поверхностных слоях слабо закаливающихся малоуглеродистых сталей типа Ст3 и Ст5 [4].

Для термического и термомеханического упрочнения угловых профилей, асимметрия и разнотолщинность которых обуславливают неравномерное охлаждение и коробление, необходимо обеспечить надежное и гибкое регулирование охлаждения массивных элементов и ускоренное равномерное подстуживание всего уголка.

Поэтому цеховая система водоснабжения охлаждающего устройства по рекомендации исследователей была снабжена участком высокого давления (0,5-0,6МПа) и по сравнению с термоправкой увеличен расход охлаждающей воды. Это подтверждается испытанием охлаждающего устройства на режимах угловых профилей 50х50х5 и 63х63х6 из малоуглеродистой стали Ст.3сп [5].

Литература:

1 Гольдштейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. – М.: Металлургия, 1996. - 310 с.

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

3 ГОСТ 27772-2008 «Прокат для стальных строительных конструкций». 4 Фридель Ж. Дислокации. - М.: Мир, 1987. - 626 с.

5 Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: Металлургия, 1982. – 181 с.