Механо-термическое упрочнение проката из малоуглеродистой стали

Механо-термическое упрочнение в потоке станов является одним из наиболее эффективных методов получения в условиях массового производства строительных сталей с высокими механическими и технологическими свойствами. Сущность метода состоит в том, что при γ —>α-превращении достигнутое упрочнение аустенита определенным образом наследуется. Указанное упрочнение аустенита связано с формированием в процессе прокатки стали при существенной пластической деформации (с > 25...40 %) структуры нерекристаллизованного (или не полностью рекристаллизованного) аустенита. При этом считается, что этот эффект упрочнения в строительных сталях имеет место, если прочность и хладостойкость проката становятся выше, чем после аналогичной обработки, но без большой пластической деформации, во время γ —>α-превращения. Различают несколько вариантов термомеханической обработки (ТМО), осуществление которых различается температурами и степенями обжатия в процессе γ —>α-превращения. Общие основы ТМО строительных сталей с достаточной полнотой описаны в работах.

Проведение ТМО строительных сталей, прежде всего малоуглеродистых и низколегированных, не содержащих сильных карбонитридо-образуюших элементов, встречало существенные технические трудности, поскольку в этих сталях даже после горячей деформации легко и полностью проходят процессы квазистатической, а фактически статической, рекристаллизации, снижающие упрочнение аустенита. Поэтому при ТМО строительных сталей охлаждение их проводят в воде. Наиболее восприимчивыми к ТМО являются строительные сложнолегированные стали бейнитного или мартенситного классов, легко закаливаемые при охлаждений в воде или на воздухе.

Из технологических схем механо-термического упрочнения в металлургической промышленности нашла применение в основном контролируемая прокатка, предусматривающая последовательную деформацию заготовки с большими обжатиями на мощных прокатных станах при непрерывно понижающихся температурах в определенных температурных интервалах, при которых сталь имеет различные структуры, по-разному реагирующие на искажения кристаллического строения, вносимые пластической деформацией. Контролируемая прокатка разработана специально применительно к строительным хорошо свариваемым низколегированным сталям и предполагает протекание γ —>α-превращения при охлаждении их на воздухе. В ряде случаев применяют ускоренное охлаждение водой. В настоящее время контролируемая прокатка низколегированных сталей освоена металлургической промышленностью как за рубежом, так и в нашей стране и подробно описана в ряде монографий и сборников.

Следует подчеркнуть, что контролируемая прокатка эффективна для низколегированных сталей и, прежде всего, для малоуглеродистой и низколегированной марганцовистой стали повышенной чистоты, микролегированной сильными карбонитридообразующими элементами, типа 09Г2ФБ. Однако определенный эффект ТМО был получен также и для марганцовистых и кремнемарганцовистых сталей 09Г2, 17Г1С и малоуглеродистой стали типа СтЗсп.

Центральным вопросом для понимания процессов, происходящих при ТМО, является установление механизмов упрочнения и разупрочнения. На практике после завершения горячей деформации разупрочняющие процессы (в том числе рекристаллизация) успевают пройти с той или иной степенью полноты. Для разработки технологии ТМО строительных сталей важно знать, будут ли протекать процессы рекристаллизации непосредственно при горячей деформации и каков характер изменений тонкого строения в условиях одновременного воздействия высоких температур и обжатий, а также скоростей деформации.

Таким образом, после окончания горячей обработки структура металла может быть различной. Если при последующем охлаждении фиксируется состояние, соответствующее горячему наклепу (участок 1-2) с неупорядоченным расположением дислокаций, в стали будет наблюдаться сильное повышение прочности при одновременном низком сопротивлении хрупким разрушениям. Фиксация состояния динамического возврата (участок 2-3), имеющая место при умеренных пластических деформациях аустенита (20-30 %), дает наилучшие результаты при ТМО среднеуглеродистых конструкционных сталей в случае их закалки на мартенсит.

Из приведенных данных ясно, что при эффективной реализации ТМО строительных сталей режимы горячей деформации должны обеспечивать создание развитой субструктуры по механизму динамической полигонизации. Необходимо также исключить статическую рекристаллизацию аустенита перед γ —>α-превращением, для чего степень обжатия металла должна быть значительной (не менее 50%), а скорость охлаждения при γ —>α-превращении достаточно высокой. Сказанного выше достаточно для понимания изложенного материала. Вообще же металловедческие аспекты горячей прокатки строительных сталей достаточно полно изложены, например, в монографиях.

Характер микроструктуры, формирующейся в прокате при ТМО, существенно зависит от промежутка времени между деформацией и γ —>α-превращением, в течение которого могут протекать процессы статического возврата, полигонизации и рекристаллизации аустенита. Значительное влияние на эти процессы оказывает химический состав стали.

Для торможения процесса рекристаллизации горячедеформированного аустенита в стали должна присутствовать дисперсная фаза, стабилизирующая субструктуру и препятствующая росту больше угловых границ. Поэтому строительная сталь, предназначенная для упрочнения ТМО, должна содержать дисперсную карбонитридную фазу, устойчивую при температурах горячей прокатки. Чаще всего это карбиды ниобия, частично заменяемые в последнее время соединениями титана. Эффективность такого легирования с точки зрения склонности к статической рекристаллизации при горячей прокатке. Как уже отмечалось выше, наиболее распространенная и эффективная строительная сталь для ТМО — малоперлитная сталь типа 09Г2ФБ. В результате горячей деформации такой стали создается развитая и устойчивая субструктура, обеспечивающая комплекс высоких механических свойств при охлаждении проката на воздухе. Очевидно, что для получения таких же результатов на малоуглеродистых сталях необходимо использовать более интенсивное охлаждение водой для предотвращения статической рекристаллизации в них.

Для упрочненной методами контролируемой прокатки стали необходимо использование специализированных мощных прокатных станов, так как при проведении прокатки по контролируемым режимам производительность обычного стана снижается на 30-50 %. Прочность, жесткость и мощность рабочих клетей и нагрузки на электродвигатели не позволяют осуществить требуемые для получения эффекта контролируемой прокатки большие обжатия в чистовых клетях, где прокатку следует вести при температурах ниже 850° С для предотвращения статической рекристаллизации аустенита. Кроме того эта технология требует точного соблюдения температурного, деформационного и временного режимов, которые невозможно осуществить без новейших средств измерения и контроля технологических параметров.

В отечественной промышленности имеется положительный опыт получения высокопрочных листов для магистральных трубопроводов из малоперлитных сталей с карбонитридным упрочнением типа 09Г2ФБ на современных реверсивных толстолистовых станах 3000 и 3600. В этой же работе показано, что контролируемая прокатка обычных низкоуглеродистых сталей на этих станах оказалась малоэффективной как с точки зрения увеличения прочности, так и, по-видимому, экономически.