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