Влияние деформации в межкритическом интервале температур при контролируемой прокатке с ускоренным регулируемым охлаждением на конечную структуру и свойства толстолистового проката - Статья

Технология КП - метод производства толстых листов для изготовления сварных труб, которые находят применение в строительстве магистральных нефте-и газопроводов. Такое снижение температуры чистовой прокатки продиктовано необходимостью получения повышенных прочностных показателей в конечном продукте [6]. температура деформация толстолистовой От других видов горячей прокатки КП отличается тем, что образующиеся в структуре субграницы между которыми разориен-тация составляет не более 2-х градусов, являются центрами зарождения новых зерен феррита не только на большеугловых, но и на малоугловых субзеренных границах аустенита [8], что способствует измельчению зерна феррита. При нагреве формируется зеренная равновесная структура аустенита, который при охлаждении до температур межкритического интервала (ики) частично распадается с образованием зерен избыточного феррита, количество которого зависит от температуры распада, а аустенит обогащается углеродом до Сумки (табл. Так как после деформации ускоренное охлаждение снижает температуру на оставшемся участке МКИ (при этом также выделяется небольшое количество мелких зерен избыточного феррита), то при понижении температуры ниже Агз стартует бейнитная реакция в аустените.Установлена зависимость структуры и свойств от температуры деформации в МКИ с последующим ускоренным охлаждением, на основании которой для получения требуемых свойств проката можно варьировать температуру деформации в МКИ. Для низкоуглеродистой стали 10Г 2ФБ наиболее перспективное сочетание прочности и вязкости достигается при деформации в средней части МКИ. На основании теоретических и экспериментальных результатов предложен режим прокатки, позволяющий повысить механические свойства стали 10Г 2ФБ по сравнению с существующими промышленными вариантами контролируемой прокатки листов большой толщины. Возможно применение этого режима с отдельного нагрева для исправления недостаточно высоких пластических свойств, полученных при случайных отклонениях штатной технологии. Kontroliruemaya prokatka nepreryvnogo metalla [The controlled rolling of the continuously-casted steel].

Низкоуглеродистые стали широко применяются в промышленном и гражданском строительстве, судостроении, машиностроении, строительстве магистральных нефте- и газопроводов. Различные сферы применения металла требуют повышения уровня механических свойств [1-10].

Термомеханическая обработка (ТМО) - вид обработки, который сочетает пластическую деформацию стали в аустенитном состоянии с последующим регулируемым охлаждением и позволяет повышать комплекс механических свойств проката [2].

Контролируемая прокатка (КП) толстых листов является одним из видов ТМО. Технология КП - метод производства толстых листов для изготовления сварных труб, которые находят применение в строительстве магистральных нефте- и газопроводов.

Повышение прочностных и пластических свойств обеспечивается микролегированием стали сильными карбидообразующими элементами - ниобием, ванадием, титаном, для получения мелкозернистой структуры. В результате образуются карбиды, препятствующие росту аустенитного зерна во время динамической и, частично, статической рекристаллизаций, а также запускает механизм дисперсионного упрочнения [3-5].

Листы из низкоуглеродистых микро- легированных сталей производят по технологии контролируемой прокатки, которая состоит из двух стадий: а) высокотемпературной деформации при 1040.1200°С (черновой прокатки) и б) завершающей (чистовой) прокатки в низкотемпературной части МКИ (730...750°С). Такое снижение температуры чистовой прокатки продиктовано необходимостью получения повышенных прочностных показателей в конечном продукте [6]. температура деформация толстолистовой

Применение технологии КП позволяет получить требуемое сочетание высокой прочности и вязкости проката без применения термической обработки с отдельного нагрева [7].

От других видов горячей прокатки КП отличается тем, что образующиеся в структуре субграницы между которыми разориен- тация составляет не более 2-х градусов, являются центрами зарождения новых зерен феррита не только на большеугловых, но и на малоугловых субзеренных границах аустенита [8], что способствует измельчению зерна феррита.

Потребление толстых листов (свыше 30 мм), в настоящее время, постоянно возрастает. По технологической схеме контролируемой прокатки с ускоренным регулируемым охлаждением (КП УРО), суммарная деформация в черновой и чистовой клетях снижается, а толщина исходного сляба остается неизменной. В итоге эффективность по- лигонизационной субструктуры как фактора, измельчающего зерно, ослабевает, при этом снижается как прочность, так и сопротивление распространению трещины в толстых листах.

Из описанных схем прокатки листов применение КП УРО наиболее эффективно повышает прочность и вязкость стали, поэтому совершенствование существующих и создание новых научно обоснованных вариантов этой схемы является актуальным [9-10].

Цель исследования - исследование влияния температур межкритического интервала (МКИ) и последующего охлаждения на структуру и свойства толстолистового проката, а также усовершенствование режима контролируемой прокатки для повышения и оптимального сочетания прочностных и пластических свойств в готовых изделиях.

Материал и методики исследований. Исследовали низкоуглеродистую микроле- гированную сталь 10Г 2ФБ, применяемую в настоящее время для изготовления толстолистового проката.

Использовали световую качественную и количественную микроскопию, растровую и просвечивающую электронную микроскопию; испытания механических свойств. [1112].

Температурную зону МКИ (727..,910°С) поделили на 8 участков через каждые 25°С (рис. 1).

Рис. 1. Часть диаграммы Fe-Fe3C с разбивкой температуры в МКИ для стали с содержанием углерода 0,10% /

Образцы обрабатывали по режиму: нагрев до 1000°С с выдержкой в течение 90 минут, перенос в печь, нагретую до выбранной температуры, выдержка 10 минут, деформация на 45%, ускоренное охлаждение в масле (Уохл. = 10...20°С/с).

Металлографические шлифы после механической шлифовки потрадиционной схеме, подвергали электролитической полировке в хлорноуксусном электролите в течение 6 минут с последующим травлением в 2% HNO3 C2H5OH. Изображения фиксировали на цифровую камеру на микроскопе Неофот-2 с иммерсионным объективом при увеличении *1250.

Таблица 1 t™, °C Y, % СУМКИ, % a, % Самки, %

910 100 0,1 0 0

885 70 0,14 30 0,005

860 41 0,23 59 0,007

835 27 0,34 73 0,01

810 20,5 0,44 79,5 0,013

785 16 0,53 84 0,015

760 13,5 0,63 86,5 0,017

735 11 0,75 89 0,019

Расчетные количества фаз и концентрация углерода в них при различных температурах МКИ

Результаты исследования и их обсуждение. В лабораторных экспериментах установлено, что структурные превращения в стали развиваются следующим образом. При нагреве формируется зеренная равновесная структура аустенита, который при охлаждении до температур межкритического интервала (ики) частично распадается с образованием зерен избыточного феррита, количество которого зависит от температуры распада, а аустенит обогащается углеродом до Сумки (табл. 1).

По мере накопления деформации обе фазы приобретают все более высокую плотность дислокаций, которые в условиях сравнительно высоких температур трансформируются в разветвленную сеть малоугловых полигональных границ. Поэтому, чем ниже температура деформации в МКИ, тем большее количество зерен а-фазы выделится и подвергнется деформации.

После окончания деформации, с началом охлаждения и понижением температуры, начинается распад нового, несвойственного исходному составу стали аустенита, в котором концентрация углерода составляет Сумки, происходит повторное зарождение избыточного феррита на большеугловых и полигональных малоугловых границах зерен деформированного аустенита. Углерод при этом вытесняется в аустенит, где его концентрация несколько повышается (но не достигает 0,8% С). Так как после деформации ускоренное охлаждение снижает температуру на оставшемся участке МКИ (при этом также выделяется небольшое количество мелких зерен избыточного феррита), то при понижении температуры ниже Агз стартует бейнитная реакция в аустените.

Концентрация углерода в а и у- фазах в пределах МКИ различна, однако, если колебания малых количеств углерода в феррите практически не влияют на свойства стали, то в аустените это влияние существенно. Именно вариации концентрации углерода в аустените в значительной степени определяют характер структурообразования и поведение механических свойств проката.

Изменения структуры и свойств в зависимости от температуры начала деформации в МКИ с последующим УРО показаны на рисунках 2-4.

Температура 910°С. Этот вариант был включен в программу исследований для получения реперной структуры, отвечающей деформации и превращению из однофазной у- области. В конечной структуре преобладает игольчатый феррит, т.е. бескарбидный верхний бейнит, и некоторое количество до- эвтектоидного феррита, появление которого связано со сравнительно умеренной скоростью охлаждения в масле. Бейнитные пакеты более темного оттенка располагаются в лик- вационных участках, обогащенных марганцем и микролегирующими добавками (рис. 2а).

Температуры 885...860°С. В этом температурном интервале из аустенита выделяется некоторое количество избыточного феррита, зерна которого по размерам не превышают 10 мкм, то есть, сопоставимы с шириной реек бейнита, хотя последнего по объему значительно больше. Рост концентрации углерода в аустените и количество образовавшегося из него бейнита возрастает, с чем связано потемнение бейнитных реек (рис. 2б, в).

Температуры 835...810°С. Снижение температуры приводит к увеличению доли горяче деформированного феррита с одной стороны, и к снижению количества бейнита с другой (рис. 2г, д). Бескарбидный феррит уже не может образоваться, так как аустенит содержит более 0,4% С, поэтому образуются кристаллы верхнего бейнита с карбидными частицами по границам между рейками.

Температуры 785...760°С. В структуре образуется более 60% мелких (5...10 мкм) деформированных зерен феррита (рис. 2е, ж), содержащих в среднем по 150.500 субзерен, размерами 1.5 мкм (рис. 2е, ж). Размеры полигонов несколько меньше по сравнению с образующимися при более высоких температурах, вследствие ускорения диффузионных процессов. Бейнитная составляющая при охлаждении заполняет оставшиеся объемы аустенита, которые становятся более мелкими и разрозненными, так как выделяющиеся кристаллы избыточного феррита многочисленны и расчленяют их на более мелкие фрагменты. По этой причине пакеты бейнита не растут до крупных размеров и остаются в пределах от 3 мкм (рис. 2е) до 10 мкм (рис. 2ж).

Температура 735°С. После охлаждения в нижней области МКИ (рис. 2з) в структуре увеличивается до 70% количество полигони- зованного феррита, с развитой сетью субзеренных границ. Остальной аустенит имея в своей решетки до 0,7% С распадается с образованием нижнего бейнита с многочисленными карбидами внутри них, что характерно для высокопрочных структур.

На рисунке 3 приведен электронномикроскопический снимок фольги после деформации в МКИ с последующим УРО. На нем видны, как отдельные дислокации (обозначено а), так и их скопление в полигональные стенки (б). Вследствие прошедших процессов возврата и полигонизации сформировалась сеть субзеренных границ, зафиксированная ускоренным охлаждением.

Рис. 3. Полигональная структура феррита после деформации при 785°C и УРО. / Polygonal ferrite structure after deformation at 785°C and ACC.

Формирование разнообразных по морфологии и химическому составу структур после деформации и УРО при различных температурах МКИ, сказывается и на механических свойствах стали, прошедшей такую обработку. Предел прочности (OB) после деформации при температурах МКИ и ускоренного охлаждения не проявляет заметных колебаний и находится в диапазоне 770-790 H/мм 2 (рис. 4а), поскольку не является структурно чувствительным показателем.

Поэтому одинаковая степень деформации (45%) и снижение температуры МКИ незначительно влияют на его изменение.

Однако предел текучести существенно зависит от структурных изменений (рис. 4а). При температурах 910...860°С показатели предела текучести повышаются, так как в структуре преобладает высокодисперсный бейнит (игольчатый феррит или верхний бейнит). При понижении температуры деформации в МКИ (до 835..785°С) выделяется все большее количество избыточного феррита, поэтому предел текучести несколько снижается. При температурах 760...735°С от начинает возрастать, в образовавшемся (~ 80%) доэвтектоидном феррите после деформации образуется сеть полигональных границ, то есть действует субзеренный механизм упрочнения. Аналогичным образом наличие второй высокоуглеродистой (до 0,7% С) составляющей - нижнего бейнита - влияет на повышение предела текучести (рис. 4а).

Изменение ударной вязкости стали противоположно изменению предела текучести (рис. 46). При отрицательных температурах зависимость KCV"40 явно выражена. При верхних температурах МКИ (885...860°С) значения ударной вязкости низкие изза наличия в структуре большого количества бейнита. С понижением температуры и увеличением доли мелких зерен феррита вязкость начинает возрастать. В нижнем интервале МКИ ударная вязкость снижается изза наличия нижнего бейнита, который наследовал повышенную концентрацию углерода в аустените.

Рис. 4. Свойства стали 10Г 2ФБ после УРО при различных температурах в МКИ / The properties of steel 10G2FB after ACC at different temperatures in the ICI

Микрорельеф поверхности разрушения, на снимке, полученном с помощью растровой микроскопии (рис. 5), выявляет чашечное строение, характерное для вязкого типа разрушения.

Рис. 5. Поверхность разрушения стали 10Г 2ФБ, растровая электронная микроскопия / 10G2FB steel fracture surface, raster electronic microscopy

Таким образом, получена информация, позволяющая судить о структуре и свойствах проката из низкоуглеродистой микролегированной стали в зависимости от температуры деформации в МКИ с последующим ускоренным охлаждением, и вносить изменения в температурные, деформационные и временные параметры производства листов по технологии КП УРО.

В заводских условиях деформацию в черновой клети проводят в температурном интервале 980...1100°С в реверсивном периодическом режиме, при этом в чистовой клети может потребоваться корректировка температуры деформации с целью повышения ударной вязкости проката, так как после черновой прокатки металл поступает в чистовую клеть уже несколько упрочненным.

В случае толстых листов (h >30 мм) может потребоваться другой вариант коррекции - в сторону повышения прочностных показателей, так как суммарная степень деформации может оказаться недостаточной для получения в готовых листах требуемой прочности, и может возникнуть необходимость увеличения количества бейнитной составляющей в структуре серединных слоев толстого листа.

На основании проведенных исследований назначить полный режим прокатки затруднительно, однако можно рекомендовать менять режим завершающей деформации в зависимости от действующей технологии черновой прокатки и необходимости выполнять требования заказчиков по механическим свойствам, учитывая то что наконечной стадии температурный режим 785...810°С является основным и наиболее перспективным.

Описаны процессы структурообразования при ускоренном регулируемом охлаждении от различных температур МКИ.

Установлена зависимость структуры и свойств от температуры деформации в МКИ с последующим ускоренным охлаждением, на основании которой для получения требуемых свойств проката можно варьировать температуру деформации в МКИ.

Для низкоуглеродистой стали 10Г 2ФБ наиболее перспективное сочетание прочности и вязкости достигается при деформации в средней части МКИ.

На основании теоретических и экспериментальных результатов предложен режим прокатки, позволяющий повысить механические свойства стали 10Г 2ФБ по сравнению с существующими промышленными вариантами контролируемой прокатки листов большой толщины.

Возможно применение этого режима с отдельного нагрева для исправления недостаточно высоких пластических свойств, полученных при случайных отклонениях штатной технологии.

Использованная литература

1. Погоржельский В. И Контролируемая прокатка непрерывнолитого металла / Погоржельский В.И. - Москва: Металлургия, 1986. - 151 с.

2. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Машиностроение, 1980. - 494 с.

3. Матросов Ю.И. Сталь для магистральных газопроводов / Ю.И. Матросов, Д.А. Литвиненко, С.А. Голованенко. - Москва: Металлургия, 1989. - 288 с.

4. Эфрон Л.И. Формирование структуры и механических свойств сталей при ТМО в потоке прокатного стана / Л.И. Эфрон // Сталь. - 1995. - № 8. - С. 57-64.

5. Разработка и технологический процесс производства трубных сталей в 21 веке / Ю.Д. Морозов, Ю.И. Матросов, А.С. Болотов [и др.] // Сталь. - 2001. - № 4. - С. 58-62.

6. Контролируемая прокатка / В.И. Погоржельский, Д.А. Литвиненко, Ю.И. Матросов, A. В. Иваницкий. - Москва: Металлургия, 1979. - 183 с.

7. Полигонизация аустенита при контролируемой прокатке: монография / Большаков В.И., Лаухин Д.В. - Днепропетровск: ПГАСА, 2011. - 268 с.

8. Влияние режимов контролируемой прокатки на структуру и свойства низкоуглеродистой микролегированной стали 10Г 2ФБ / В.И. Большаков, Г.Д. Сухомлин, Д.В. Лаухин, А.В. Бекетов, Н.В. Сахник, Е.М. Кузмичев, А.А. Тараненко, Ю.М. Снежковская // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. / Приднепр. гос. акад. стр-ва и архитектуры. - Днепропетровск, 2009. - Вып. 48, ч. 3. - С. 237-242.

9. Прогнозирование структурного состояния листов на малоперлитной стали после контролируемой прокатки в различных режимах / В.И. Спиваков, Э.А. Орлов, И.В. Ганошенко, П.Л. Литвиненко, B. В. Володарский // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: сб. науч. тр. / Ин-т чер. металлургии Нац. акад. наук Украины. - Днепропетровск, 2006. - Вип. 13. - С. 156162.

10. Спиваков В.И. Исследование структурообразования в толстых листах из трубных сталей категорий прочности Х 65, Х 70 при различных скоростях охлаждения / В.И. Спиваков, П.Л. Литвиненко, Е.А. Шпак // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: сб. науч. тр. / Ин-т чер. металлургии Нац. акад. наук Украины. - Днепропетровск, 2010. - Вип. 21. - С. 203-210.

11. Металлы. Методы испытаний на растяжение: ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84, СТ СЭВ 471-88). - Введ. 1986-01-01. - Изд. офиц. - Москва: Изд-во стандартов, 1985. - 28 с.

12. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах: ГОСТ 9454-78 (СТ СЭВ 472-77, СТ СЭВ 473-771). - Введ. 1979-01-01. - Москва: Гос. комиздат, 1980. - 11 с.

Referenses

1. Pogorzhelskij V.I. Kontroliruemaya prokatka nepreryvnogo metalla [The controlled rolling of the continuously-casted steel]. Moscow: Metallurgija, 1986, 151 p. (in Russian).

2. Lahtin Ju.M. and Leonteva V.P. Materialovedenie [Material science]. Moscow: Engineering, 1980, 494 p. (in Russian).

3. Matrosov Ju.I., Litvinenko D.A. and Golovanenko S.A. Stal" dlya magistralnyh gazoprovodov [Steel for the gas-main pipelines]. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 288 p. (in Russian).

4. Efron L.I. Formirovanie struktury i mehanicheskih svojstv stalej pri TMO v potoke prokatnogo stana [The formation of structure and mechanical properties of steels at TMT in the production line of the rolling mill]. Stal’ [Steel], 1995, no. 8, pp. 57-64. (in Russian).

5. Morozov Ju.D., Matrosov Ju.I. and Boltov A.S. Razrabotka i texnologicheskij prozess proizwodstwa trubnyh stalej v 21 veke [The development and technological process of the steel pipe production in the 21st century]. Stal’ [Steel], 2001, no. 4, pp. 58-62. (in Russian).

6. Pogorzhelskij V.I., Litvinenko D.A., Matrosov Ju.I. and Ivanitskij A.V. Kontroliruemaya prokatka [The controlled rolling]. Moscow: Metallurgija, 1979, 183 p. (in Russian).

7. Bolshakov V.I. and Lauhin D.V. Poligonizatsiya austenita pri kontroliruemoj prokatke [The polygonization of the austenite at the controlled rolling]. Dnepropetrovsk: PGASA, 2011, 268 p. (in Russian).

8. Bolshakov V.I., Suhomlin G.D., Lauhin D.V. Beketov A.V., Sahnik N.V, Kuzmichev E.M., Taranenko A.A. and Snezhkovskaja Ju.M. Vliyanie rezhymov kontroliruemoj prokatki na strukturu i svojstva nizkouglerodistoj mikrolegirovannoj stali 10G2FB [The Effect of the controlled rolling on the structure and properties of the low- carbon microalloyed steel 10G2FB]. Stroitelstvo, materialovedenie, mashynostroenie [Building, materials science, mechanical engineering]. Pridneproska State Academy of Civil Engineering and Architecture. Dnipropetrovsk, 2009, no. 48, part.3, pp. 237-242. (in Russian).

9. Spivakov V.I., Orlov E.A., Ganoshenko I.V., Litvinenko P.L. and Volodarskij V.V. Prognozirovanie strukturnogo sostoyaniya listov na maloperlitnoj stali posle kontroliruemoj prokatki v razlichnyh regymah [The prediction of the structural state of the sheets on the low pearlite steel after the controlled rolling in different regimes]. Fundamentalnye i prikladnye problemy chernoj metallyrgii [Fundamental and applied problems of ferrous metallurgy]. The Iron Industry Institution of the National Academy of Sciences of Ukraine. Dnepropetrovsk, 2006, no. 13, pp. 156-162. (in Russian).

10. Spivakov V.I., Litvinenko P.L. and Shpak E.A. Issledovanie struktyroobrazovanya v tolstyh listah iz trubnyh stalej kategorij prochnosti Х 65, Х 70 pri razlichnyh skorostyah ohlazhdeniya [The study of the structure formation in thick sheets of the steel pipe strength category X65, X70 at different cooling rates]. Fundamentalnye i prikladnye problemy chernoj metallyrgii [Fundamental and applied problems of the ferrous metallurgy]. The Iron Industry Institution of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2010, no. 21, pp. 203-210. (in Russian).

11. Metally. Metody isputanij na rastyazhenie: GOST 1497-84 (ISO 6892-84, ST SEV 471-88) [Metalls. Tensile Test. Methods: State Standarts 1497-84 (ISO 6892-84, ST SEV 471-88)]. Moskow: Izdatelstvo standartov, 1985, 28 p. (in Russian).

12. Metally. Metod ispytaniya na udarnyj izgib pri ponizhennyh, komnatnoj i povyshennyh temperaturah: GOST 945478 (ST SEV 472-77, ST SEV 473-771) [Test method for impact bowing at low, normal and elevated temperatures: State Standart 9454-78 (ST SEV 472-77, ST SEV 473-771)]. Moscow: Gos. komizdat, 1980, 11 p. (in Russian).

Размещено на .ru