30 декабря 2017г.
Зачастую традиционные способы упрочнения не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к изделиям из металлических материалов. Это привело к появлению технологий, совмещающих несколько различных воздействий на металл деформации (ковка, прокатка, прессование), нагревы и охлаждения, физические методы воздействия (ультразвук, электромагнитное поле) и др., которые могут повторяться периодически [2,8,11]. К числу таких технологий относится деформационная термоциклическая обработка (ДТЦО), представляющая собой циклическую термическую обработку, совмещенную с различными видами деформации в области низких или высоких температур. Такая обработка позволяет интенсифицировать диффузионные процессы, протекающие в заданных интервалах температуры с приложением напряжений и деформаций, накопить структурные изменения, происходящие в циклах и связанные с идущими фазовыми превращениями и др. В результате все эти процессы помогают сформировать оптимальное структурно-фазовое состояние и улучшить не только механические, но и физические свойства материала [1,3-7,9].
В литературе имеются сведения, что, с помощью деформационной термоциклической обработки, можно не только улучшить физико-механические свойства металлов и сплавов, но и получить деформированные заготовки и полуфабрикаты из малопластичных сплавов, в том числе заэвтектических силуминов и чугунов [3,7,10]. Разработка режимов ДТЦО, для каждой конкретной марки стали, чугуна, алюминиевого сплава носит индивидуальный характер. Кроме того, зачастую для получения заданных физических или механических свойств на одной марке материала, используемого в различных условиях эксплуатации, приходится подбирать различные режимы и параметры обработки. Поэтому целью работы явилось исследование влияния ДТЦО, включающей предварительную термоциклическую ковку слябов при температуре выше АС3 с последующей их прокаткой на лист, на структуру и механические свойства горячекатаной низкоуглеродистой стали 10сп.
В качестве материала исследования была взята низкоуглеродистая сталь 10сп, выплавленная в ОАО «НКМК» (г. Новокузнецк). Химический состав стали, в % (вес.): С – 0,13; Mn – 0,42; P – 0,014; S – 0,016; Cr– 0,05; Cu – 0,20; Fe – остальное. Сляб из стали подвергали горячей циклической ковке по схеме однопроходной протяжки на гидравлическом ковочном прессе усилием 2000 тс. Температура нагрева под ковку составляла 1250 ± 10°С, время выдержки – 2 ч. Охлаждение поковок осуществляли на воздухе до 200- 300 °С. Было проведено 10 циклов ковки со степенью деформации в каждом цикле 6÷8 %. Суммарная степень деформации равнялась 65÷68 %. Высота заготовки после термоциклической ковки составляла 365±5 мм при ширине 500±5 мм. В дальнейшем заготовки были прокатаны на лист толщиной 3 мм в ОАО «НМЗ» (г. Новосибирск) на стане 810 по промышленной технологии. Подробно технология изготовления листа описана в [8]. Для исследования микроструктуры стали использовали оптический микроскоп ЛабоМет-И1. Для оценки загрязненности листов неметаллическими включениями использовали металлографический метод их определения по ГОСТ 1778-70. Механические характеристики прокатанного листа оценивали при испытании на статическое растяжение плоских образцов толщиной 3 мм и с длиной рабочей части 70 мм на машине Instron 3369 в соответствии с ГОСТ1497-84.
Была проведена оценка загрязненности неметаллическими включениями листовых образцов из стали 10сп, изготовленных по промышленному режиму и с использованием режима термоциклической ковки для промежуточных и конечной толщин проката. По стандартным шкалам неметаллических включений определен балл для строчечных и точечных оксидов (глинозема Al2O3, оксида кремния SiO2, железной и марганцевой шпинелей типа MeO·Al2O3), хрупких, недеформируемых и пластичных силикатов (алюмосиликатов, силикатов железа, марганца и более сложного состава), а также сульфидов (преимущественно двойного сульфида железа и марганца (FeMn)S), присутствующих в прокате различной толщины (таблица 1). Причем большая часть оксидных включений, в том числе и силикатных, расположена вдоль направления прокатки. Полученные данные свидетельствуют о том, что степень горячей деформации и предварительная термоциклическая ковка заготовок практически не оказывают влияние на загрязненность и распределение неметаллических включений по сечению полосы различной толщины. 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 1 – Оценка загрязненности неметаллическими включениями проката из стали 10сп, изготовленного по промышленному режиму и с ДТЦО
Толщина листа, мм
|
Место вырезки образца
|
Оценка в баллах
|
Оксиды
|
Силикаты
|
Суль- фиды
|
строчечные
|
точеч-
ные
|
недеформиру-
емые
|
хрупкие
|
плас-
тичные
|
6
|
С
|
3/1
|
0/1
|
1/1
|
0/0
|
0/0
|
2,5/3
|
К
|
0/1
|
3/2
|
0/0
|
0/0,5
|
0/0
|
1,5/1
|
5
|
С
|
0/2
|
3/3
|
0/1
|
1/0
|
0/0
|
2/1,5
|
К
|
0/0,5
|
3/2
|
0/1
|
0,5/1
|
0/0
|
1/1,5
|
4
|
С
|
0/1
|
3/3
|
1/0
|
0/0
|
0/0
|
1,5/2
|
К
|
1/0
|
0/1
|
1/1
|
0/0
|
0/0
|
1/1
|
3
|
С
|
0/0
|
2/1
|
1/1
|
0/0
|
0/0
|
1/1,
|
К
|
1/0
|
0/1
|
0/1
|
0/0
|
0/0
|
0,5/0,5
|
Средний балл
|
0,6/0,7
|
1,8/1,8
|
0,5/0,8
|
0,2/0,2
|
0/0
|
1,4/1,5
|
Примечание: в числителе – данные для листа, изготовленного с ДТЦО; в знаменателе – для
промышленного режима; С–середина, К–край листа.
|
Металлографический анализ образцов из стали 10, прокатанных по промышленной технологии и с использованием режимов ДТЦО показал, что предварительная термоциклическая деформация приводит к уменьшению размеров и объемной доли колоний перлита, а также к степени их разориентировки в направлении прокатки. Очевидно, что количественные характеристики структуры во многом определяются схемой и режимом деформации. Так, использование предварительной термоциклической ковки перед горячей прокаткой листа позволяет существенно измельчить структуру стали 10сп. 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 7±2 до 20±2 мкм.
По результатам определения механических свойств предварительная термоциклическая ковка, вызывающая измельчение структуры, приводит к повышению прочностных характеристик листовой горячекатаной стали 10сп почти на 30 % при незначительном снижении пластичности (таблица 2).
Режим изготовления
|
Механические характеристики
|
σ в , МПа
|
σ т , МПа
|
δ, %
|
Ψ, %
|
Твердость, НВ
|
промышленный
|
370
|
305
|
26
|
42
|
127
|
с ДТЦО
|
478
|
390
|
24
|
38
|
170
|
|
|
Таблица 2 – Влияние ДТЦО на механические характеристики листовой горячекатаной стали 10
Выводы
Установлено, что предварительная термоциклическая ковка не повышает содержание неметаллических включений в листовой стали 10сп, количество которых и распределение в прокате определяется местом вырезки образца и технологией выплавки стали. Использование режимов предварительной ДТЦО для производства горячекатаного листа из стали 10сп позволяет получить более мелкозернистую структуру и повысить прочностные свойства почти на 30 %.
Список литературы
1. Prudnikov A.N. Deformable heatproof transeutectic silumin for pistons // A.N. Prudnikov // Steel in Translation. – 2009.– T. 39. – № 6. – С. 456-459.
2. Prudnikov A.N. Production, structure and properties of engine pistons made from transeutectic deformable silumin // A.N. Prudnikov // Steel in Translation. – 2009.– T. 39. – № 5. – С. 391-393.
3. Патент 2130084 РФ Способ термоциклической обработки чугуна / В.К. 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. Прудников В.А Влияние термоциклической ковки и последующего отжига на коэрцитивную силу и линейное расширение стали 10 // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2016.– № 3.– С. 451-456.
5. Прудников А.Н. Влияние термической обработки на электрические свойства низкоуглеродистой стали, изготовленной с использованием ДТЦО / А.Н. Прудников, В.А. Прудников и др. // Инновации в машиностроении: Сб. материалов VII Межд. научно-практич. конф.– Кемерово: КГТУ, 2015.– С. 377-380.
6. Прудников А.Н. Исследование термоциклической деформации для получения полуфабрикатов из заэвтектических силуминов / А.Н. Прудников, В.А. Прудников / В сборнике: Металлургия: технология, инновации, качество. Под общей ред. Е.В. Протопопова – Новокузнецк, СибГИУ, 2015.– С. 15-18.
7. Прудников А.Н. Комплексное воздействие отжигов и термоциклической ковки на структуру и свойства заэвтектических силуминов // Деформация и разрушение материалов.– 2014.– № 2.–С. 14 - 20.
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. Поршневые деформируемые заэвтектические силумины // Технология металлов.– 2014.– № 2.– С. 8-11.
10. 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.
11. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. – Л.: Машиностроение, 1989.– 255 с.