Термическое упрочнение с использованием тепла прокатного нагрева

Структуры и особенности превращений малоуглеродистых и низколегированных строительных сталей подробно рассмотрены в работе. Достаточно подробная классификация структур малоуглеродистых сталей была составлена французскими металловедами. Авторов же настоящей книги интересовали особенности структур, формирующихся при термическом упрочнении проката нелегированных малоуглеродистых сталей с содержанием не более 0,22 % С.

В нашей стране рассматриваемому вопросу были посвящены фундаментальные работы школы К. Ф. Стародубова, достаточно полно отраженные в работе. Подробная классификация структур малоуглеродистых сталей представлена в работе, где исследовали зависимость морфологических форм структуры при изотермическом распаде переохлажденного аустенита стали состава 0,17% С; 0,43% Мn; 0,03% Si. Исследование проводили на образцах толщиной 0,2 мм, аустенитизированных при 920° С, а затем выдержанных в соляной ванне при различных температурах в интервале 700-200° С. Авторы работы изучали структуру, формирующуюся в малоуглеродистых сталях при термическом упрочнении по различным схемам в промышленных условиях.

В задачу авторов настоящей книги входило рассмотрение особенности превращения аустенита и морфологии структур малоуглеродистых сталей с целью управления процессами, позволяющими упрочнить их в потоке прокатных станов.

Из-за малой устойчивости аустенита и высокой критической скорости определение положения температурной границы конца образования избыточного феррита затруднено. И лишь возможность осуществления записи высокоскоростных режимов охлаждения позволила исследовать температурную область превращения аустенита в левой части диаграмм, соответствующей малому времени охлаждения, порядка десятых долей секунды, и получить ее вид. При малых скоростях охлаждения область выделения избыточного феррита граничит с перлиной, а при высоких скоростях охлаждения — с бейнитной. Отметим, что небольшие добавки сильных карбонитридообразующих (например, до 0,1 % V) ведут к замедлению перлитного превращения из-за торможения диффузионных процессов. Отличительной особенностью углеродистых сталей является отсутствие на диаграммах превращения аустенита разделения перлитной и промежуточной областей.

Своеобразие микростроения проката из малоуглеродистых сталей заключается, прежде всего, в наличии большого количества промежуточных структур и отферрито-перлитной смеси с пластинчатым перлитом, типичной для горячекатаных сталей, до бейнита. Совокупность таких структур в последнее время называют вырожденным перлитом. Такие структуры формируются при ускоренном охлаждении проката, т. е. при скоростях от 7 до 30° С/с, после окончания деформации. Так, в работах установлено, что аустенитизация при 920° С и последующая изотермическая выдержка при 600° С привели к образованию шести различных морфологических типов феррито-цементитных структур.

По мере увеличения скорости охлаждения и соответственно понижения температуры превращения происходит уменьшение отношения скорости роста перлитной колонии к скорости зарождения центров новой фазы при переходе, в связи с чем изменяется и морфология перлита: уменьшается размер колоний и межпластиночное расстояние. Начиная с определенных температур превращения (650° С при изотермической выдержке) наблюдали лишь немногочисленные перлитные колонии с правильным и нерегулируемым строением. При более низких температурах превращения начинают преобладать колонии с фрагментированными цементитными пластинами, часто переходящими в цепочки чечевицеобразных или глобулярных частиц, с увеличенными ферритными промежутками. Подобная структура классифицируется как квазиэвтектоид. Понятно, что в квазиэвтектоиде содержание углерода может быть меньше, чем в классическом перлите (0,6% и 0,8%), и количество этой «рыхлой» структуры в упрочненном прокате из малоуглеродистых сталей может быть достаточно велико. В ряде случаев квазиэвтектоид является типичной структурой проката, упрочненного в потоке стана. Вместе с этим достаточно распространенной формой вырожденного перлита являются ферритные поля с рядом мелких частиц цементита (<0,1 мкм), окруженных клубками дислокаций. Наконец, наблюдаются зерна феррита с цепочками грубых цементитных частиц на границах.

Изменение морфологии феррито-цементитной смеси при повышении скорости охлаждения, т. е. снижении температуры превращения происходит в последовательности: феррито-перлитная смесь, квазиэвтектоид, ферритные зерна с мелкими глобулированными цементитными частицами в ферритных зернах с грубыми цементитными выделениями по границам зерен. Это можно объяснить температурной зависимостью коэффициента самодиффузии гамма-железа: по границам зерен самодиффузия идет гораздо легче, чем по объему зерен:

Этим и объясняется, что на нижней температурной границе превращения феррито-цементитная смесь, образующаяся из аустенита по рекристаллизационному механизму, имеет форму зерен полиэдрического феррита с грубыми выделениями цементита по границам.

Рассмотренные структуры в основном наблюдаются при ускоренном охлаждении проката после аустенитизации или при изотермических выдержках при 700-620° С.

При дальнейшем понижении температуры превращения скорость самодиффузии атомов железа становится крайне низкой, а скорость диффузии углерода еще значительна. Эти обстоятельства приводят к превращениям аустенита по промежуточному механизму (бейнитное превращение, при котором определенным образом сочетаются кооперативные перемещение атомов матрицы по сдвиговому механизму с диффузионным перераспределением атомов углерода). Скорость роста кристаллов а-фазы здесь мала, поскольку определяется скоростью отвода углерода от растущего кристалла. При высоких скоростях охлаждения возможно выделение игольчатого феррита.

В процессе изотермических выдержек кристаллы игольчатого феррита выделяются при 600 и даже 650° С, такая структура наблюдается при ускоренном охлаждении проката со скоростями 20-30° С/с. При температурах изотермических выдержек 500-550° С и в некоторой степени даже при 600° С наблюдается верхний бейнит; такая структура имеет место частично и при ускоренном охлаждении. Наконец, при температурах изотермических выдержек 400-450° С выделяется нижний бейнит.

Игольчатый феррит имеет форму вытянутых ферритных зерен шириной 1,5-2,0 мкм, часто расположенных компактными колониями размером более 10 мкм с плотностью дислокаций 109 см^-2, а в отдельных случаях 5-109 см^-2, внутри зерен видны ячейки и субзерна 1 мкм) различной степени совершенства. При условиях образования игольчатого феррита углерод обладает достаточной диффузионной подвижностью и при превращении вытесняется в соседние с бейнитными свободные объемы аустенита, где превращения в обогащенных углеродом объемах часто идут с образованием перлитных или перлитоподобных структур. Поэтому отдельные участки игольчатого феррита соседствуют с перлитными или квазиэвтектоидными. Хорошо видно, что волокнистые цементитные частицы растут непосредственно от границы кристаллита игольчатого феррита. Иногда такие зерна феррита классифицируются как видманштеттовые. Действительно, в монографии, показано, в отличие от классической работы А. Портевена, что механизм превращения аустенита, приводящего к образованию видманштеттова феррита, фактически является бейнитным. В рассматриваемых сталях верхняя температурная граница образования видманштеттова феррита находится при 800-810° С, нижняя — около 600° С. Авторы согласны с концепцией, изложенной в работе, однако следует разделять термины следующим образом: видманштеттовым ферритом следует называть структуры, формирующиеся вследствие аустенитизации при высоких температурах, во всяком случае выше 1000° С, и последующем охлаждении на воздухе. Типичным примером таких структур являются структуры, образующиеся в зоне термического влияния сварки на участке, непосредственно

При высоких, порядка ~1000° С/с, скоростях охлаждения проката из малоуглеродистой стали образуется мартенситная структура, описанная, например, в работах. Мартенсит имеет пакетное строение. Средняя ширина реек 0,41 мкм, при этом основная масса реек имеет ширину 0,2-0,25 мкм, но встречаются рейки шириной 1-2 мкм, занимающие не более 10-20% объема. Наблюдается выделение дисперсных карбидов со средним диаметром 0,40 ± 0,01 мкм при плотности 160 мкм^-3; внутри широких реек и по границам тонких средний диаметр карбидов 0,041 ±0,005 мкм. Цементит, по-видимому, появляется в процессе самоотпуска, чему способствует высокая в данном случае температура мартенситного превращения. Наблюдаемая плотность дислокаций внутри кристаллов мартенсита достаточно высока (как правило, не ниже 1010 см^-2), при этом они образуют плотную нерегулярную сетку. Такая структура характерна для проката из строительных сталей (сложнолегированных с молибденом) мартенситного класса после закалки в воде и бейнитного — на воздухе. Такая структура подробно описана в работе.

При температурах изотермических превращений 200-250° С в отдельных кристаллах мартенсита наблюдали пачки тонких параллельных двойников, то же самое наблюдали в мартенсите при закалке низколегированных сталей, что подтвердило возможность частичного двойникования при образовании реечного мартенсита.

В заключение еще раз следует подчеркнуть, что своеобразие структур низкоуглеродистых сталей при превращении заключается, прежде всего, в наличии большого количества морфологических форм.

Упрочнение малоуглеродистой стали при увеличении скорости охлаждения после деформации, так же как и легирование, понижает температуру превращения аустенита, что существенно измельчает ферритное зерно.

Ускоренное охлаждение обеспечивает получение дисперсных структур благодаря быстрому прохождению температурного интервала превращения аустенита, что значительно ограничивает условия, способствующие росту зерна и коагуляции карбидов и карбонитридов до и после превращения. Такая технология позволяет компенсировать потерю прочности из-за низкого содержания углерода и упрочняющих добавок и значительно повысить эффективность использования дорогостоящих дефицитных легирующих элементов благодаря возможности перехода на микролегирование ими. Эффект повышения прочностных характеристик малоуглеродистой стали значительно возрастает при ее ускоренном охлаждении после окончания деформации в межкритическом интервале температур, когда распад определенной доли аустенита происходит по бездиффузионному механизму с образованием бейнита. При такой технологии упрочнения температурно-временные параметры прокатки и последующего ускоренного охлаждения следует регулировать таким образом, чтобы количество образовавшихся продуктов распада аустенита (в частности, бейнита) не понизило характеристики пластичности, особенно вязкости, ниже допустимого уровня. Следует иметь в виду, что для получения проката с нужными свойствами надо учитывать его толщину, так как необходимо обеспечить достаточную скорость охлаждения в сечениях, максимально удаленных от охлаждаемой поверхности.

Упрочняемые стали, как правило, по базовому химическому составу близки или не отличаются от обычных мелкозернистых сталей, но содержат значительно меньшее количество карбидообразующих элементов. Поэтому любой вид упрочнения, как в потоке станов, так и после печного нагрева, может рассматриваться как технологический прием, повышающий эффективность использования легирующих элементов, обычно применяемых при производстве Сталей массового назначения.

В результате закалки проката из малоуглеродистой и низколегированной стали с достаточно высокими скоростями охлаждения в нем формируется мартенситная или, что более предпочтительно, структура нижнего бейнита. Следует отметить, что нижний бейнит (далее бейнит) при соответствующей композиции химических элементов может формироваться также при охлаждении на воздухе. Для получения в структуре бейнита используют химические элементы, понижающие скорость превращения, а также сдвигающие кривую начала образования полигонального феррита к более длительным выдержкам.

Наиболее часто применяемыми элементами для повышения мартенситной и бейнитной прокаливаемое, кроме марганца и кремния, являются хром, никель, молибден. Особое место среди элементов, увеличивающих прокаливаемость принадлежит бору, добавки тысячных долей процент которого в малоуглеродистую сталь в сильной степени понижают скорость превращения и температуру устойчивости аустенита.