ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И НОРМАЛИЗАИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

В качестве конструкционных материалов, обладающих повышенной пластичностью и способных работать в области температур от минус 40 до 450 ºС наиболее часто используются низкоуглеродистые стали.  Кроме  того,  для  этих  сталей  характерны  хорошая  свариваемость,  нечувствительность  к флокенообразованию, а также отсутствие развития процессов отпускной хрупкости при эксплуатации. Низкоуглеродистые стали высокой пластичности (марки 05, 08, 10 по ГОСТ 1050) применяют в том случае, если при изготовлении из них деталей и узлов машин требуются значительные пластические деформации (холодная штамповка, высадка, гиб и др.). Причем из этих сталей изготавливают такие детали и узлы машин, которые статически умеренно нагружены в процессе их эксплуатации. Обычно считается, что для сталей этой группы применение термической обработки нецелесообразно. Однако для стали 10 в связи с несколько большим содержанием углерода (0,07÷0,14 %) возможно использование нормализации, закалки с высоким отпуском и отжига для улучшения ее прочностных и пластических свойств. Резервом улучшения свойств металлических материалов является деформационная термоциклическая обработка (ДТЦО) в комплексе с последующей термической обработкой. Причем в литературе сообщается о положительном влиянии режимов ДТЦО не только на механические характеристики [1-3], но и на весь комплекс свойств, включающий физические, технологические и эксплуатационные для чугунов [3], сталей различного состава [1,2,7-10], алюминиевых сплавов, в частности заэвтектических силуминов [4-6]. Поэтому целью работы являлось исследование влияния режима ДТЦО термоциклической деформации (ковки) при температуре выше АС3 и последующей нормализации на механические характеристики листовой стали 10.

В качестве материала исследования была взята сталь 10, выплавленная в ОАО «НКМК» (г. Новокузнецк). Химический состав стали, определенный на эмиссионном спектрометре ARL 4460, приведен в таблице .

Таблица – Химический состав обрабатываемой стали 10

Сляб размером 900×700×500 мм подвергали циклической ковке по схеме однопроходной протяжки в ОАО ЗСМК (г. Новокузнецк) на гидравлическом ковочном прессе усилием 20 МН. Температура нагрева под деформацию составляла 1250 °С, время выдержки сляба в печи перед ковкой 2 часа без учета прогрева. Было проведено 10 циклов деформации. Толщина заготовки после термоциклической ковки составляла 300÷310 мм. В дальнейшем заготовки были прокатаны на лист толщиной 3 мм в ОАО «НМЗ» им. А.Н. Кузьмина (г. Новосибирск) по промышленному режиму. Для исследования микроструктуры стали использовали оптический микроскоп ЛабоМет – И1. Механические испытания проводили на машине Instron 3369 на плоских образцах толщиной 3 мм. Более подробно технологический режим изготовления листа с использованием ДТЦО приведен в работе [7].

Ранее в работе [2] было показано, что предварительная термоциклической ковка, проведенная перед прокаткой листа, сохраняет феррито-перлитную структуру в стали 10. Однако в случае использования предварительной ДТЦО уменьшается степень ориентировки перлитных колоний вдоль направления прокатки, а также их размер и объемная доля. При этом прочностные характеристики листовой горячекатаной стали 10 повышаются почти на 30 % при незначительном снижении пластических свойств. Так временное сопротивление разрыву и предел текучести возрастают от 370 и 305 до 478 и 390 МПа.

В работе было проведено исследование влияния температуры нормализации в интервале 600-1000 °С (время выдержки 10 ч) на структуру и механические свойства листовой горячекатаной стали 10, изготовленной по промышленному режиму и с использованием ДТЦО. Установлено, что с увеличением температуры нормализации до 900°С в структуре стали происходит измельчение перлитных колоний. Причем более интенсивно этот процесс протекает в стали, подвергнутой предварительной ковке. Повышение температуры нормализации до 1000°С огрубляет структуру стали как в случае использования промышленной технологии, так и в стали, подвергнутой ДТЦО. Результаты влияния температуры нормализации на механические свойства листовой горячекатаной стали 10 приведены на рис. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что нормализация при температуре 900°С обеспечивает наиболее оптимальное сочетание прочностных и пластических характеристик листовой стали 10 промышленного исполнения и изготовленной с ДТЦО. Причем, если листовая сталь 10, изготовленная с применением ДТЦО, превосходит по прочностным характеристикам горячекатаную сталь незначительно, то по относительному удлинению и относительному сужению – в среднем на 15 и 11 % соответственно. При этом нормализация стали, изготовленной с ДТЦО, приводит к снижению характеристик сопротивления деформации на 15 % и к повышению пластических свойств более чем на 50 % по сравнению с ее горячекатаным состоянием.

Таим образом, использование ДТЦО для производства горячекатаного листа из стали 10 позволяет получить более мелкозернистую структуру и повысить прочностные характеристики почти на 30 %. Повышение пластичности листовой стали 10, используемой для глубокой вытяжки, можно достичь за счет нормализации при 900°С, которая повышает ее относительное удлинение и относительное сужение более чем на 50 % при снижении характеристик сопротивления деформации менее чем на 15 %.

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.    Prudnikov A.N. Influence of Thermal-Cyclic Deformation and Hardening Heat Treatment on the Structure and Properties of Steel 10 // A.N. Prudnikov, V.A. Prudnikov // Applied Mechaniecs and Materials. – 2015. – Vol. 788. – pp. 187-193.

3.     Патент 2130084 РФ. Способ термоциклической обработки чугуна / В.В. Афанасьев, М.В. Чибряков, А.Н. Прудников и др. – Заявл. 07.07.1998. Опубл. 10.05.1999. – Б.И. № 13. – С. 455.

4.   Прудников А.Н. Комплексное воздействие отжигов и термоциклической ковки на структуру и свойства заэвтектических силуминов // Деформация и разрушение материалов.– 2014.– № 2.– С.14 - 20.

5.    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.

6. Прудников А.Н. Поршневые деформируемые заэвтектические силумины // Технология металлов.– 2014.– № 2.– С. 8 - 11.

7.   Прудников А.Н. Оценка структуры, свойств и загрязненности неметаллическими включениями деформационно-термоциклически обработанной стали 10 / А.Н. Прудников, В.А. Прудников, Е.В. Богонос / Сб. материалов ХIХ Межд. научн.-практ. конф. «Металлургия: технология, инновации, качество». – Новокузнецк, изд-во СибГИУ, 2015. – С. 35 - 39.

8.       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.

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. Татаурова Э.В.Влияние термоциклической обработки на структуру и свойства углеродистых сталей // Металлы. – 2002. – № 1. –С.82-87.