Исследование и разработка технологии термической обработки среднесортных фасонных профилей проката

Социалистическая система хозяйства создает огромные возможности для применения более современных новых схем производства черных металлов. Расширение сортамента и повышение качества проката, метизов, труб, как правило, приводит к повышению затрат на их производство. Но эти затраты в короткие сроки окуI паются за счет экономии проката и повышения эффективности его использования в народном хозяйстве. Экономия проката в машиностроении, строительстве достигается за счет улучшения качества металлопродукции, улучшения потребительских свойств проката: повышения его прочностных характеристик, стойкости и т. д.

I А.

Одним из важнейших направлений в области улучшения качества проката является его термическая или термомеханическая обработка с последувдим отпуском или самоотпуском. В этом прогрессивном технологическом процессе осуществляется сложный комплекс операций: нагрев под деформацию, деформация (здесь на конечные свойства стали влияют как температура, степень и скорость деформации, так и пауза между окончанием деформации и началом охлаждения), охлаждение. При определенных условиях деформации и закалки, когда полностью или почти полностью подавляется развитие рекристаллизационных процессов, в стали создается особое структурное состоянием результате чего, по сравнению с обычной закалкой без предварительной деформации, повышаются дополнительно прочность, относительное сужение, сопротивление хрупкому разрушению, хладостойкость.

Особый интерес представляет термическое упрочнение проката из низкоуглеродистой стали. Долгое время считали, что она не закаливается',' что ее упрочнение при закалке незначительно, хотя Г. Б. Курдшов и его сотр. еще в 1929 г. показали, что низкоуглеродистая сталь закаливается на мартенсит / 2 /, а К. Ф. Стародубов и сотр. в 1958 г. / 3 / указал на очень большое упрочнение: в стали с 0,19 $ С после закалки предел текучести повышается в 2−3 раза.

Столь значительное повышение прочности обуславливает очень большую экономию металла (от 15−20 до 30−40, а в отдельных случаях — до 50−60 $) в строительных конструкциях и деталях машин. Весьма важное значение для северных районов нашей страны имеет хладостойкость термически упрочненной стали. «Основные направления развития народного хозяйства СССР на 19 761 980 годы», определенные ХХУ съездом КПСС, предусматривают увеличение в 1,5−2 раза выпуска проката с упрочняющей термической обработкой / 4 /.

Из изложенного следует, что разработка вопросов теории, технологии и оборудования для термического упрочнения проката цредставляет большой теоретический интерес и имеет важное народнохозяйственное значение.

Среди вопросов, относящихся к теории термического упрочнег ния проката, особый интерес представляют те, которые относятся к рекристаллизации горячедеформированного аустенита низкоуглеродистой стали, так как полное или почти полное подавление развития рекристаллизационных процессов является основой получения высокого комплекса механических свойств термически упрочненной стали. Изучению явлений рекристаллизации аустенита, относительно мало освещенных в литературе, посвящена вторая глава работы.

Большой теоретический и практический интерес представляют процессы, наблвдафщиеся при прекращении интенсивного охлаждения стали в интервале температур несколько ниже температуры Мн, так как они также определяют механические свойства термически упрочненного проката.

Не менее важными для успешного осуществления термического упрочнения проката в производственных условиях являются вопросы технологии упрочнения как основы при проектировании промышленного оборудования для упрочняющей термической обработки.

Разработка технологии термического упрочнения нового вида прокатной продукции представляет значительные трудности и осуществляется путем расчета и конструирования для этой цели опытных устройств полупромышленного типа.

На основе выводов, которые вытекают из исследований теоретического характера, предстояло разработать технологию термического упрочнения прокатных профилей сложной формы, так называемых фасонных, а для отработки рекомендуемой технологии создать опытно-промышленную установку. На основе проведенных опытов было выдано техническое задание Институту по проектированию металлургических заводов («Укргипромез») для разработки проекта заводской промышленной установки для термического упрочнения фасонных профилей в условиях стана 350 Днепровского металлургического завода им. Дзержинского (г.Днепродзержинск). Примеров конструирования подобных опытно-промышленных установок в литературе нет, мало и публикаций по технологии термического упрочнения сложных фасонных профилей.

Эти части работы, имекхцие важное значение для реализации теоретических разработок в производство, изложены в главе 111-У настоящей работы.

На основе разработанного технического задания Укргипромезом выполнен рабочий проект установки для термического упрочнения фасонных профилей на среднесортном стане 350 Днепровского металлургического завода имени Дзержинского.

Автор глубоко благодарен проф.док.техн.наук И. Е. Долженкову за руководство по практической постановке экспериментов в лабораторных и заводских условиях.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Широкий размах строительных работ, все возрастающий объем промышленного производства, интенсивное развитие всех отраслей народного хозяйства нашей страны требует все большего количества металла. Однако технический прогресс требует не только значительного увеличения количества металла, но и выдвигает новые требования к качеству производимого металла, его конструктивной прочности. Назрела необходимость не только прямого увеличения производства металла, но и перевода металла в новое качественное состояние, что ведет к повышению эффективности использования металла в народном хозяйстве, сокращению расхода металла в конструкциях, является источником значительной экономии металла, весьма важным резервом снижения металлоемкости строительных конструкций и машин.

Одним из перспективных путей коренного улучшения комплекса свойств стали является термическое упрочнение ее непосредственно с прокатного нагрева. Проблема упрочняющей термической обработки проката решается путем разработки как теоретических основ процесса, так и созданием технологии и оборудования для каждой специализированной группы профилей проката.

Среди многих вопросов теории термического упрочнения проката из низкоуглеродистой стали с использованием структуры" созданной в процессе прокатки и тепла прокатного нагрева^ важным является вопрос о состоянии аустенита горячедеформированной стали к моменту закалки. Важность этого вопроса определяется тем, что состояние аустенита, в частности, размер его зерен, степень завершенности рекристаллизации, однородность аустенита и др., оказывают большое влияние на его устойчивость. механизм и кинетику распада, склонность к отпуску и самоотпуску, а, следовательно и на структуру и комплекс свойств термически упрочненной стаж. Важность этого вопроса определяется также тем, что в зависимости от состояния аустенита перед закалкой после прокатки фиксируется в той или иной мере эффект высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО). Между тем литературных источников о поведении аустенита низкоуглеродистой стали, в частности, о его рекристаллизации в ходе горячей деформации и после деформации весьма недостаточно, а имеющиеся данные иногда и противоречивы.

В работе / 5 / показано, что величина зерна аустенита низкоуглеродистой стали, после горячей деформации при температуре I050-II00°C изменяется по довольно сложному закону. Изменение величины зерна можно разделить на три периода: первый 3−6 сек, второй до 50 с-:-, третий — свыше 50 с после окончания деформации. В течение первого периода цроисходят процессы отдыха и рекристаллизации, зерно становится равновесным и довольно мелким. Во втором периоде рост зерна не наблвдается (инкубационный период), а в третьем начинается бурное развитие собирательной рекристаллизации. Наиболее приемлемым периодом для проведения термического упрочнения авторы считают второй период. Показана связь величины зерна с твердостью, пределами текучести и прочности. В последующей своей работе / 6 / авторы исследовали влияние других факторов на рекристаллизационные процессы, уточняли временные интервалы и т. д.

Авторы работ / 7,8 / считают, что оптимальное сочетание механических свойств исследованной ими стали можно получить лишь после полного завершения первичной и отсутствии собирательной рекристаллизации. В процессе горячей деформации в металле параллельно совершаются два процесса — упрочнение и разупрочнение. Упрочнение вызывается увеличением плотности дислокаций и их взаимодействием как между собой, так и с различными примесями и включениями. Процесс разупрочнения заключается в уменьшении плотности дислокаций, а также в их перераспределении. Скорость процесса как упрочнения, так и разупрочнения существенно зависит от многих факторовтемпературы, скорости и степени деформации, исходного фазового и структурного состояния и т. д. Разупрочнение в процессе горячей деформации достигаемое за счет уменьшения плотности дислокаций, реализуется двумя путями: I) миграцией болыпеугловых границ, при которой удаляется избыток дислокаций, т. е. рекристаллизацией- 2) перестройкой дислокационной структуры, в процессе которой дислокации могут выходить на поверхность металла, анигилировать внутри его или распадаться если имеются неустойчивые их комбинации — случай возврата, или, наконец, перестраиваться с образованием субграниц — случай полигонизации / 9 /. Перечисленные выше процессы могут протекать как в ходе деформации (динамический возврат и динамическая рекристаллизация) так и после нее (статический возврат и статическая рекристаллизация).

Высокотемпературная термомеханическая обработка предусматривает подавление (полное шш частичное) рекристаллизационных процессов и создание структурного состояния с повышенной плотностью несовершенств кристаллической решетки / 11−14 /, что дает возможность получить дополнительный выигрыш свойств / 15,16 /.

Полностью зафиксировать все несовершенства и их расположение, с озданое при горячей деформации, крайне заманчиво, но практически неосуществимо, по крайней мере для проката из низкоуглеродистой стали из-за бурного развития рекристаллизационных процессов. Но даже в случае протекания начальных стадий рекристаллизации обработки не исключается использование ВТМО для получения высокопрочного состояния, отличающегося повышенной пластичностью / II-22 /.

Статическая рекристаллизация после горячей деформации протекает несколько иначе, чем при нагреве холоднодеформированного металла, так как в ходе горячей деформации одновременно с вводом в сталь дислокаций происходит их перестройка в упорядоченные группировки. Основным механизмом такой рекристаллизации является коалесценция субзерен. И динамическая и статическая рекристаллизация в условиях горячей деформации происходит мед-леней, чем это следовало бы ожидать исходя из условий изучения рекристаллизации при нагреве холоднодеформированного металла / 9 /. Причины вялой кинетики развития рекристаллизации по мнению М. Л. Бернштейна следующие:

1. Механизм процесса — коалесценция и рост субзерен, вклю-ча, тощий миграцию среднеугловых границ, а эти последние обладают пониженной подвижностью.

2. Невысокая избыточная плотность дислокаций характерна для условий горячей деформации. Избыточные дислокации в указанных условиях являются как бы селективно отобранными с точки зрения их высокой устойчивости, так как все другие дислокационные построения распадаются или анигилируют при высоких температурах деформации.

3. Пониженная диффузионная подвижность в плотноупакован-ной решетке аустенита.

Указанные выше причины приводят к тому, что реализация процесса динамической или статической рекристаллизации становятся возможном лишь после некоторого инкубационного времени. Так авторы работы / 17 / наблвдали начало процесса рекристаллизации железоникелевого сплава лишь через 30 минут после окончания деформации.

Процесс статической рекристаллизации требует определенного инкубационного периода / 23 /. Если в сплаве выделяются дисперсные фазы, то инкубационный период может оказаться весьма продолжительным.

В работе / 24 / приведены данные показывающие, что разупрочнение при ВТМО (900°С, в =60 $) начинается уже через 6 с-.:.-, а авторы работы / 25 / показали, что эффект ВТМО может сохраняться и после длительных последеформационных выдержек.

Изучение процесса рекристаллизации, как динамической, так и статической, очень затруднено, так как на скорость рекристаллизации сильное влияние оказывают многие факторы, в частности, состав стали, ее чистота, температура аустенизации и деформации, температуры изотермической выдержки и т. д. Так, например, авторы работы / 7 / показали, что деформация на 50−70 $ аустенитной стали приводит к окончанию рекристаллизации уже через 6 с, а деформация той же стали на 10−30 $ увеличивает время окончания рекристаллизации до 6 минут. Особо важную роль в случае горячей деформации играет скорость деформации. Возрастание критической степени деформации с уменьшением скорости деформации во многих случаях позволяет избежать динамической рекристаллиза, щи даже при больших степенях горячей деформации / 23 /. Возможность подавления динамической рекристаллизации также подт-вервдена автором работы / 9 /, так как этот казалось бы более быстрый процесс, чем статическая рекристаллизация, все же требует определенного времени для своего развития. Статическая рекристаллизация наблюдается при сравнительно длительных последеформационных выдержках и повышенных температурах. При этом в её зависимости от условий деформации, и, в первую очередь>от^степени, механизм статической рекристаллизации возможен или путем коалесценции или миграции малоугловых границ (по Кану-Бургер-су — Ху) или миграцией болыпеугловых границ (по Бейли-Хиршу). Важной характеристикой определяющей многие механические свойства является размер зерна аустенита.

Влияние размера зерна на прочность определяет уравнение Холла-Петча, от размера зерна зависит ударная вязкость, порог хладноломкости и т. д. Поэтому изучению размера зерна как одной из важных технологических характеристик посвящены многие работы / 26−32 /.

В работе / 31 / показано, что измельчение зерна существенно сказывается на положении порога хладноломкости — при уменьшении размера зерна от 8 до 15 балла критическая температура хрупкости понизилась от +90 доЮ0°С, а предел прочности повысился на 250−300 Мн/м2. Ускоренное охлаждение углеродистой стали от температур 1200−1300°С приводит к фиксации мелкого зерна, а увеличение дисперсности карбидных и нитридных включений способствует измельчению зерна при последующей аустенизации / 34 /. Изучению размеров зерен после деформации и нагревов посвящены многочисленные работы / 35,39 и др.). Построены многочисленные диаграммы рекристаллизации с учетом различных параметров: двойников / 40 /, степени разнозернистости / 41 / и других факторов / 42−46 /. Стремление более полно использовать эффект термомеханической обработки / 47−49 / многие аспекты которого еще изучены недостаточно, в значительной степени является «стимулятором» пристального внимания к вопросам рекристаллизации после горячей деформации.

Одной из разновидностей ВТМО в настоящее время считают контролируемую прокатку. Основная идея этой обработки заключается в том, что во время и, главным образом, после горячей деформации, когда развиваются процессы рекристаллизации"контролируя режимы деформации и охлаждения, добиваются получения мелкого однородного зерна. Эффект от упрочнения (по пределу текучести) может составить при этом 10−30 $ / 9 /. Экспериментальные данные лучше и физически правильнее описываются уравнением Холла-Петча, если в качестве d — принят средний размер «пакета» образованного почти одинаково ориентированными мартенситными пластинками «рейками», разделенными малоугловыми дислокационными границами / 50 /. Можно предполагать / 50 /, что ВТМО ста-щ приводит к повышению прочности по одному из следующих механизмов: I) «наследование» матерситом дислокационной структуры аустенита, сформировавшейся в ходе деформации и в течение выдержки перед закалкой- 2) измельчение кристаллов, образующихся в аус-тенитном зерне, измельченном в ходе рекристаллизации- 3) уменьшение доли немартенситных продуктов превращения благодаря повышенной устойчивости деформированного аустенита в промежуточной области.М. Л. Бернштейном установлено, что карбидная фаза после горячей деформации закалки и отпуска имеет примерно тот же вид, что после закалки, деформации при комнатной температуре и отпуска.

Наличие в стали или сплаве частиц дисперсных фаз и их поведение в процессе обработки оказывает большое влияние на рек-ристаллизационные процессы. Так в спокойной стали, содержащей частицы ДСгО* увеличение скорости деформации не оказало влияния на размер зерна, в то время как в кипящей стали того же состава вызвало резкое увеличение размеров зерна / 51 /. Б присутствии дисперсных фаз, растворяющихся только при высоких температурах (нитриды, карбиды, окислы) рекристаллизационные зерна сохраняются мелкими вплоть до температуры растворения этих фаз. Нагрев до температуры, отвечающей началу этого растворения приводит к резкому скачкообразному росту зерна до очень больших размеров и этот рост может служить подтверждением растворения / 23 /.

Наличие в стали частиц другой фазы может в значительной мере привести к торможению роста зерен. Граница между разными фазами может стать эффективным, барьером для скользящих дислокаций. Если расстояние между частицами второй фазы велико, дислокация выгибается между ними, а с уменьшением расстояния между ними может наступить момент, когда более легким путем окажется прохождение дислокации через тело частицы, а когда внутри частицы образуется высокоэнергетическая поверхность, то дислокация полностью тормозится / 52 /.

Рассмотренные вопросы, относящиеся к рекристаллизации доказывают, что за счет использования этого процесса на практике можно в значительной мере повысить комплекс свойств стали. В последние годы в СССР ведется работа по внедрению на металлургических заводах термического упрочнения проката после его горячей деформации, давдая возможность полностью или частично использовать эффект ВТМО.

Разработаны или находятся в стадии доводки технологические процессы / 53−60 /, создано или создается и совершенствуется оборудование / 61−64 / для всех основных подлежащих упрочнению видов проката.

Так как удельная доля проката из низкоуглеродистых сталей составляет значительную величину, то его термическое упрочнение цредставляет особый интерес.

Долгое время считалось, что низкоуглеродистая сталь при закалке не упрочняется. Однако работы советских и зарубежных авторов показали, что превращение аустенита в мартенсит в низкоуглеродистой стали протекает по тем же законам, что и в других сталях / 65 /} хотя и имеет свои особенности: низкая устойчивость аустенитавысокая критическая скорость / 66 / сильно изменяющаяся при незначительном изменении углеродавысокие значения Мн и Мк / 67 /- а также скоротечность процессов отпуска / 68, 69 /.

Однако даже при наличии таких жестких ограничений удалось получить и исследовать мартенсит низкоуглеродистой стали / 70, 71 /. При этом в многочисленных исследованиях / 72−80 / показано, что применение термического упрочнения с самоотпуском (ускоренное охлаждение до температуры несколько ниже Мн) или специальным отпуском, со сравнительно низкими капитальными затратами, позволяет обеспечить экономию металла от 15 до 60 $ / 19 /, в результате чего открываются широкие перспективы экономии металла в строительстве, на транспорте, в машиностроении, улучшения качества проката. Однако для внедрения в производство термического упрочнения проката, несмотря на наличие большого количества теоретического и практического материала, многие вопросы термического упрочнения проката требуют доработки и конкретизации. К таким вопросам, в часности, относятся и вопросы создания технологии и оборудования для термического упрочнения среднесортных фасонных профилен проката-вопрос кинетики процесса рекристаллизации аустенита низкоуглеродистой стали после горячей деформации и влияния на него различных Фактороввыбор времени начала и окончания термическоно упрочнения и ряд других. Исследованию перечисленных вопросов и посвящена настоящая работа.

2. ИССВДОЕАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАУЗЫ МЕКДУ ДЕФОРМАЦИЕЙ И НАЧАЛОМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ВЕЛИЧИНУ ЗЕРНА.

АУСТЕНИТА.

ВЫВОДЫ.

1. Для изучения влияния режимов прокатки и охлаждения на структуру и твердость низкоуглеродистой стали СТ. З клиновидные образцы подвергали деформации в пределах от 15 до 60% /. при температурах от 910 до И90°С с последующей закалкой после изотермической выдержки от 5 до 60 с между окончанием прокатки и началом интенсивного охлаждения. 1.

Установлено, что время начала рекристаллизации имеет степенную зависимостью показатель которой входит температура деформации .

Для практическго использования установленной зависимости выведено уравнение и построена номограмма, дающая возможность определить начало рекристаллизации при различных температурах и степенях деформации.

2. Установлено, что однородная мелкозернистая структура стали СТ. З при высоких значениях твердости обеспечивается при температурах деформации от 910 до 980 °C, при длижельности паузы до начала интенсивного охлаждения не больше 8−10 с, что обьясняется наличием инкубационного. периода, предшествующего рекристаллизации, длительность которого зависит от степени и температуры деформации.

3. Исследовано, разработано и опробовано охлаждающее устройство с дифференцированным охлаждением по элементам фасонных профилей проката. Показано, что применение дифференцированного охлаждения обеспечивает термическое упрочнение прокатных профилей сложной формы без коробления и в незаневоленном состоянии.

4. Разработана методика расчета основных параметров охлаждающих устройств (расход воды, длийа) в зависимости от скорости транспортировки прокатного изделия через охлаждающее устройство и перепада температур до и после охлаждения. Методика расчета основных параметров использованы Комунарским горно-металлургическим институтом.

5. Для разработки технологических параметров термического упрочнения прокатных профилей создан опытно-промышленный агрегат для термического упрочнения движущихся натурных (длиной 6 м) фасонных профилей проката из сортамента стана 350 (двутавровая балка № 10,швеллер $ 8, уголок)состоящий из: участка электронагрева (до Ю00−1200°С)методом сопротивления, участка разгона до скоростей (2,42 — 6,25 м/с), участка охлаждения движущихся прокатных профилей до температур от 20 до 550 °C, участка торможения. Агрегат снабжен электроподставдией, системой водоснабжения, контрольно-из-мерительными приборами и пультом управления.

6. Исследованием микроструктуры и свойств термически упрочненных среднесортных фасонных профилей проката в зависимости от скорости и температуры конца охлаждения показано, что при прерванном интенсивном охлаждении низкоуглеродистой стали до температур 300−500°С высокий комплекс прочностных и пластических характеристик может быть получен при скорости охлаждения ниже критической, но выше Ю0−120°С.Этот факт объясняется тем, что при указанной скорости охлаждения достигается получение однофазного структурного состояния, а достаточно высокая температура конца ускоренного охлаждения обеспечивает сравнительно полный самоотпуск.

7. Исследования термического упрочнения фасонных среднесортных профилей проката позволили разработать техническое задание на проектирование опытно-промышленного агрегата. По техническому заданию УКИЖРОМЕЗ выполнил проект опытно-промышленного агрегата для термического упрочнения среднесортных профилей в потоке стана 350 Днепровского.. .j металлургического комбината им. Дзержинского.-. Применение термически упрочненных фасонных профилей проката в мет-таллоконструкциях позволяет экономить от 10 до 20 $ металла.