18 декабря 2016г.
Деформационная термоциклическая обработка (ДТЦО) относится к комплексным упрочняющим технологиям, которая основана на одновременном воздействии на металл температуры и деформации. Для более эффективного накопления положительных изменений в структуре металлов и сплавов эти воздействия проводятся циклически. Причем в зависимости от химического состава материала температура деформирования, степень и вид деформации, а также количество циклов обработки могут быть различных. Как упрочняющая обработка ДТЦО довольно часто используется для средне- и высокоуглеродистых сталей, легированных сталей и чугунов, алюминиевых сплавов [1-6, 10]. В меньшей степени используются режимы ДТЦО для улучшения структуры и свойств низкоуглеродистых сталей, в том числе и физических свойств [7- 10]. Поэтому целью работы явилось исследование воздействия режима деформационной термоциклической ковки на структуру и свойства листовой стали 10.
Исследовали сталь 10, изготовленную в ОАО «НКМК» (г. Новокузнецк), с содержанием углерода 0,13 %, кремния и марганца– 0,22 и 0,42 % соответственно. Количество примесей составляло серы– 0,018 %; фосфора – 0,014 %. В качестве ДТЦО сляба (900×700×500 мм) из исследуемой стали использовали однопроходную протяжку плоскими бойками на гидравлическом ковочном прессе усилием 20 МН в ОАО ЗСМК (г. Новокузнецк). Перед каждым циклом ковки заготовки нагревали и выдерживали 2 ч при 1250°С, после окончания цикла деформации заготовки охлаждали на воздухе до 200-300°С. Количество циклов ковки составляло – 10. Технологические параметры ковки по циклам приведены в таблице 1. После окончания термоциклической ковки высота поковки составляла 300÷310 мм. В дальнейшем заготовки были прокатаны на стане 810 по промышленной технологии на лист толщиной 3 мм. Более подробно технологический режим изготовления листа с использованием ДТЦО приведен в работе [7].
Таблица 1 – Параметры термоциклической ковки заготовок из стали 10сп
Цикл
|
Тков.н , °С
|
Тков.к, °С
|
Sн, мм
|
Sк, мм
|
Кn
|
1
|
1250
|
1100
|
500×700
|
500×655
|
1,069
|
2
|
1250
|
1100
|
500×655
|
470×655
|
1,063
|
3
|
1250
|
1100
|
470×655
|
470×615
|
1,065
|
4
|
1250
|
1100
|
470×615
|
440×615
|
1,068
|
5
|
1250
|
1100
|
440×615
|
440×575
|
1,069
|
6
|
1250
|
1100
|
440×575
|
415×575
|
1,060
|
7
|
1250
|
1100
|
415×575
|
415×540
|
1,065
|
8
|
1250
|
1050
|
415×540
|
390×540
|
1,064
|
9
|
1250
|
1050
|
390×540
|
390×505
|
1,069
|
10
|
1250
|
1050
|
390×505
|
365×505
|
1,069
|
Примечание: Тков.н , Тков.к – температура начала и окончания ковки; Sн, Sк – размеры поперечного сечения заготовки
начальные и после ковки; Кn – коэффициент уковки в цикле n; общий коэффициент уковки КОбщ. = 1,90
|
Для исследования микроструктуры стали использовали оптический микроскоп OLYMPUS-GX51F. Для оценки загрязненности стальных листов неметаллическими включениями (НВ) применяли металлографический метод их определения по ГОСТ 1778-70 на образцах, вырезанных из центральной части листов, изготовленных по промышленной технологии и с использованием ДТЦО. Механические характеристики определяли при испытании на статическое растяжение плоских образцов на машине Instron 3369 в соответствии с ГОСТ1497-84.
Анализ распределения и количества НВ различного типа показал, что степень горячей деформации и предварительная термоциклическая ковка заготовок практически не сказываются на загрязненности и распределении НВ по сечению полосы различной толщины (таблица 2). В большей мере распределение включений в прокате является случайным и определяется тем, из какой части слитка изготовлен тот или иной сляб, а также технологией выплавки стали.
Таблица 2 – Оценка загрязненности неметаллическими включениями горячекатаного листового проката из стали 10, изготовленного по промышленному режиму и с использованием ДТЦО
Толщина листа, мм
|
Оценка в баллах
|
Оксиды
|
Силикаты
|
Суль- фиды
|
строчеч-ные
|
точеч-ные
|
недеформи-
руемые
|
хрупкие
|
6
|
3/1
|
0/1
|
1/1
|
0/0
|
2,5/3
|
5
|
0/2
|
3/3
|
0/1
|
1/0
|
2/1,5
|
4
|
0/1
|
3/3
|
1/0
|
0/0
|
1,5/2
|
3
|
0/0
|
2/1
|
1/1
|
0/0
|
1/1,5
|
Средний балл
|
0,8/1
|
2/2
|
0,8/0,8
|
0,3/0
|
1,8/2
|
Примечание: в числителе данные для листа из стали 10, изготовленного с использованием ДТЦО; в знаменателе –
для листа, изготовленного по промышленному режиму.
|
Металлографический анализ образцов из стали 10, прокатанной по промышленной технологии и с использованием режимов ДТЦО показал, использование предварительной термоциклической ковки перед горячей прокаткой листа позволяет существенно измельчить структуру стали 10. Максимальный размер колоний перлита в листе толщиной 3 мм снижается от 22×60 до 7×19 мкм, а их средний размер уменьшается почти в 3 раза от 20±2 до 7±2 мкм (рисунок).
Рисунок – Микроструктура горячекатаной
листовой стали 10
(толщина 3 мм),
изготовленной
по промышленной технологии (а) и с использованием предварительной термоциклической ковки (б)
Предварительная
термоциклическая
ковка, вызывающая измельчение структуры, повышает прочностные характеристики (временное сопротивление разрыву -
σВ , предел текучести -
σТ) листовой горячекатаной стали 10 почти на 30 % при незначительном снижении пластичности (таблица 3).
Таблица 3 – Влияние ДТЦО на механические характеристики листовой горячекатаной стали 10
Режим
|
Механические характеристики
|
σВ, МПа
|
σТ, МПа
|
δ, %
|
Ψ, %
|
Твердость,
НВ
|
промышленный
|
370
|
305
|
26
|
42
|
127
|
с ДТЦО
|
478
|
390
|
24
|
38
|
170
|
Таблица 4 – Влияние ДТЦО на физические свойства листовой горячекатаной стали 10
Режим
|
Физические свойства
|
Коэрцитивная сила, НС,
А/м
|
ТКЛР, α ∙
106,
град-1 в
интервале температур,ºС
|
50-150
|
50-300
|
50-450
|
промышленный
|
214
|
10,7
|
12,1
|
13,3
|
с ДТЦО
|
232
|
11,3
|
12,5
|
13,2
|
Влияние предварительной ДТЦО при изготовлении листа на физические свойства также обусловлено изменениями в структуре стали. Так, некоторое повышение коэрцитивной силы (около 8 %) связано с измельчением ферритного зерна, и, следовательно, увеличением протяженности границ зерен, которые затрудняют процессы намагничивания и перемагничивания в материале. Изменения ТКЛР в различных температурных интервалах носит более сложный характер. Можно отметит , что в низкотемпературной области до 300ºС способность к тепловому расширению стали 10, изготовленной с использованием ДТЦО, незначительно возрастает на 3-5 %. Однако уже в интервале до 450ºС средние значения коэффициентов выравниваются (таблица 4).
Таким образом, показано, что использование термоциклической ковки для низкоуглеродистой стали позволяет повысить ее прочностные характеристики на 30 % при сохранении достаточного уровня пластичности. Изменение физических свойств стали (HC, ТКЛР) не превышают 8 %, поэтому возможность их улучшения связана с применением термической обработки.
Список литературы
1.
Prudnikov A.N. Hardening low carbon steel 10 by using of thermalcyclic deformation and subseauent heat treatment// A.N.
Prudnikov, V.A.
Prudnikov // Materials science. Noneguilibrium
pahse transformations. – 2016. – №4. – pp. 10-13.
2.
Патент 20130084 РФ Способ термоциклической обработки чугуна / В.В. Афанасьев, Н.В. Чибряков, А.Н. Прудников и др, – Заявл. 07.07.1998. – Опубл. 10.05.1999. – Б. И. № 13. – С. 455.
3.
Прудников А.Н. Комплексное воздействие отжигов и термоциклической ковки на структуру и свойства заэвтектических силуминов // Деформация и разрушение материалов.– 2014.– № 2.– С.14 - 20.
4.
Прудников А.Н. Структурно-технологические основы разработки прецизионных силуминов с регламентированным содержанием водорода / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.16.09 / НГТУ, Новосибирск, 2013.
– 40 с.
5.
Прудников А.Н. Поршневые деформируемые заэвтектические силумины // Технология металлов.– 2014.– № 2.– С. 8 - 11.
6.
Прудников А.Н. Технология производства, структура и свойства поршней двигателей из заэвтектического деформируемого силумина // Изв. ВУЗов. Черная металлургия.– 2009.– № 5.– 45-48.
7.
Прудников А.Н. Оценка воздействия термоциклической деформации и последующей термической обработки
на электрофизические свойства низкоуглеродистой стали
/
А.Н. Прудников, В.А. Прудников и др. // Актуальные проблемы в машиностроении: – 2015.– №2.–
С. 396-400.
8.
Прудников А.Н. Влияние термической обработки на электрические свойства низкоуглеродистой стали, изготовленной с использованием ДТЦО / А.Н. Прудников, В.А. Прудников // Инновации в машиностроении: Сб. материалов VII Межд. науч.-практ. конф.– Кемерово: КГТУ, 2015.– С. 377-380.
9.
Прудников А.Н. Влияние термоциклической ковки и последующего отжига на коэрцитивную силу и линейное расширение
стали
10 / А.Н.
Прудников,
В.А.
Прудников
// Актуальные проблемы в машиностроении: – 2016.– №3.– С. 451-456.
10.
Федюкин В.К. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин/ В.К. Федюкин, М.Е. Смагоринский – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.– 255 с