Способ изготовления высокопрочной термоупрочненной арматурной стали

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к изготовлению термоупрочненной арматурной стали с использованием тепла прокатного нагрева, и может быть использовано при производстве высокопрочной стержневой арматуры периодического профиля средних диаметров. Для обеспечения высоких пластических характеристик заготовку нагревают, подвергают горячей деформации с единичным обжатием в последнем проходе 22,5-23,5% с получением стержневой арматуры периодического профиля средних диаметров, и используя тепло прокатного нагрева, ведут циклическое охлаждение поверхности с количеством циклов, равным трем, в течение времени (0,030-0,055)Д с в каждом цикле охлаждения с промежуточным отогревом поверхности после первого цикла охлаждения в течение 0,38-0,43 с, после второго цикла охлаждения в течение 0,48-0,54 с, окончательным отогревом поверхности в течение 4,5-5,5 с и окончательное охлаждение на воздухе. 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к изготовлению термоупрочненной арматурной стали с использованием тепла прокатного нагрева, и может быть использовано при производстве высокопрочной стержневой арматуры периодического профиля средних диаметров.

Известны способы термической обработки проката. Например, известен способ термической обработки с использованием тепла прокатного нагрева, включающий переохлаждение поверхности ниже точки Мн на глубину 0,3-0,5 мм со скоростью V=(2,4/D×10⁴±150)°C/c с последующим отогревом до Мн+(200-300)°С в течение времени τ, определяемого из математического выражения (1,3-0,0583D)c≤τ≤0,9с, и окончательное охлаждение, где D - диаметр стержня, мм (патент СССР №1782241, кл. C 21 D 1/02, опубл. 15.12.1992, БИ №46, 1992 г.).

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому положительному результату является способ термической обработки проката, преимущественно стержневой арматуры мелких профилей, с использованием тепла прокатного нагрева, включающий нагрев заготовки, ее горячую прокатку, рекристаллизацию стали, циклическое охлаждение поверхности с количеством циклов, равным двум, охлаждение поверхности в первом цикле в течение (0,017-0,019)Д с, во втором цикле (0,05-0,6) Д с, промежуточный отогрев поверхности между циклами составлял 0,5-0,6 с, окончательный отогрев поверхности при общем времени термической обработки раската в течение 7,5-8,5 с, и окончательное охлаждение на воздухе, где D - диаметр стержня, мм (патент РФ №2227811, кл. C 21 D 1/02, опубл. 27.04.2004, БИ №12, 2004 г.).

Недостатком известных способов является невысокий уровень нормируемых потребительских свойств и механических характеристик, таких как относительное и равномерное удлинение при разрыве.

Задачей заявляемого изобретения является возможность получения высоких пластических характеристик у высокопрочной арматуры, имеющей временное сопротивление разрыву более 1000 н/мм².

Поставленная задача достигается тем, что в способе термической обработки проката с использованием тепла прокатного нагрева, включающем нагрев заготовки, ее горячую деформацию, циклическое охлаждение поверхности раската с промежуточным и окончательным отогревами поверхности до температур ниже точки Ac₁ и окончательное охлаждение на воздухе, согласно изобретению перед циклическим охлаждением проводят деформацию с единичным обжатием 22,5-23,5% от площади поперечного сечения, а циклическое охлаждение проводят с количеством циклов, равным трем, в течение времени (0,030-0,055)Д с в каждом цикле охлаждения с промежуточным отогревом поверхности после первого цикла охлаждения в течение 0,38-0,43 с, после второго цикла охлаждения в течение 0,48-0,54 с и окончательный отогрев поверхности проводят в течение 4,5-5,5 с, где Д - диаметр стержня, мм.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем.

На формирование служебных свойств, таких как пластичность и прочность, особое влияние оказывают процессы рекристаллизации, протекание которых активно начинается уже при температурах 650°С. При температурах конца прокатки 1050°С процесс рекристаллизации занимает доли секунд, что приводит к быстрому росту зерна и, соответственно, к разупрочнению металла и снижению его пластических характеристик.

Для подавления процессов динамической рекристаллизации и роста зерна необходимо перед началом процесса термоупрочнения провести деформацию раската с единичным обжатием не менее 22,5%, при единичном обжатии более 23,5% происходит дополнительный разогрев раската за счет большой степени деформации, что отрицательно сказывается на служебных свойствах готового проката. Кроме того, установлено, что для получения в поверхностном слое структуры высокоотпущенного мартенсита, обеспечивающего высокие прочностные характеристики при одновременном повышении пластических, охлаждение поверхности в каждом цикле необходимо проводить в течение времени не менее 0,030 Д с при промежуточном отогреве поверхности после первого цикла не менее 0,38 с. При охлаждении поверхности в каждом цикле в течение времени более 0,055Д с не остается достаточного количества тепла для получения в поверхностном слое структуры высокоотпущенного мартенсита. Промежуточный отогрев поверхности после первого цикла охлаждения в течение времени более 0,43 с и более 0,54 с после второго цикла приведет к отогреву поверхностного и переходного слоя, соответственно, выше точки Ac₁ и резкому снижению прочностных характеристик. При промежуточном отогреве после второго цикла охлаждения менее 0,48 с и окончательном отогреве менее 4,5 с не происходит полная релаксация структурных напряжений, что приводит к резкому снижению пластических характеристик. Окончательный отогрев поверхности более 5,5 с приводит к снижению прочностных характеристик после электроотпуска, не улучшая пластических свойств готового проката.

Предлагаемый способ термической обработки проката с указанной совокупностью, последовательностью выполнения операций и выбором интервалов значений признаков в указанном диапазоне их изменений обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в обеспечении высоких пластических характеристик готового проката при высоких прочностных характеристиках.

Получение данного технического результата достигнуто решением задачи на изобретательском уровне, например, проведение деформации и выбор пределов ее единичных обжатий перед началом проведения процесса термического упрочнения, проведение трех циклов охлаждения и времени их проведения, выбор величины промежуточных и окончательного отогрева поверхности, что не следует из известного уровня техники

Реализация способа изготовления высокопрочной термоупрочненной арматурной стали осуществлялась следующим образом:

Пример (табл. 1, вариант №2). В сортопрокатном цехе ОАО "ЗСМК" на мелкосортном стане 250-2 проводили промышленные испытания предложенного способа термической обработки проката при изготовлении стержневой арматуры №20 из стали 28С промышленной плавки.

Для этого заготовки сечением 100×100 мм нагревали до температуры 1200±20°С, прокатывали на непрерывном мелкосортном стане 250-2 с единичным обжатием в последнем проходе 22,6%. Затем проводили циклическое охлаждение поверхности раската с количеством циклов, равным трем. Охлаждение поверхности в первом и втором циклах проводили в течение 0,82 с, в третьем цикле охлаждения 1,03 с, промежуточный отогрев поверхности после первого цикла охлаждения составлял 0,41 с, после второго цикла 0,51 с, окончательный отогрев поверхности до температуры 390°С составлял 4,65 с. Окончательное охлаждение проводили на воздухе.

По предлагаемому способу было испытано несколько режимов, предусматривающих изменение величины единичного обжатия в последнем проходе, времени каждого цикла переохлаждения поверхности, времени промежуточных и окончательного отогревов поверхности раската в заявляемом диапазоне их изменений с выходом за граничные значения. Режимы осуществления предлагаемого способа приведены в табл. 1.

После осуществления указанных режимов определяли временное сопротивление разрыву σ_В, предел текучести σ₀₂, пятикратное δ₅ и равномерное удлинение δ_р после электронагрева до 400°С.

Полученные результаты промышленных испытаний приведены в табл. 2.

Так, при достижении временного сопротивления разрыву 1130-1180 н/мм² получена стержневая арматура среднего диаметра с высоким пятикратным удлинением, составляющим 13-14%, и равномерным удлинением 3,5-4,0%, что практически в 2 раза выше, чем у стержневой арматуры, изготовленной по известному способу.

Из данных табл.1 и 2 видно, что при термической обработке стержневой арматуры по предлагаемому способу получены лучшие результаты по пластическим характеристикам при высоком уровне прочности.

Предложенный способ промышленно применим на металлургических предприятиях, имеющих непрерывные мелкосортные станы и выпускающих прокат различного назначения. Например, применение указанного способа при изготовлении высокопрочной стержневой арматуры на мелкосортном непрерывном стане 250-2 ОАО "ЗСМК" показало высокую эффективность технологии.

Таблица 1 Режимы осуществления предлагаемого способа термической обработки
№ п/п	Единичное обжатие в последнем проходе, %	1-й цикл охлаждения, с	2-й цикл охлаждения, с	3-й цикл охлаждения, с	Отогрев после 1 цикла, с	Отогрев после 2 цикла, с	Окончательный отогрев поверхности, с
1	22,5	0,60	1,10	0,60	0,38	0,48	4,50
2	22,6	0,82	0,82	1,03	0,41	0,51	4,65
3	23,5	1,10	0,60	1,10	0,43	0,54	5,50
4	22,4	0,55	1,15	0,55	0,37	0,52	5,60
5	23,6	1,15	0,55	1,15	0,44	0,47	4,40
Таблица 2 Механические свойства высокопрочной стержневой арматуры
№ п/п	Временное сопротивление разрыву σВ, н/мм2	Предел текучести σ0,2, н/мм2	Пятикратное удлинение δ5, %	Равномерное удлинение δр, %
Предлагаемое решение
1	1130	950	14	3,8
2	1170	1000	14	4,0
3	1180	1010	13	3,5
4	1120	930	12	3,0
5	1200	1050	10	3,0
Прототип
	1210	1100	8	2,0

Способ изготовления высокопрочной термоупрочненной арматурной стали, преимущественно стержневой арматуры периодического профиля средних диаметров, с использованием тепла прокатного нагрева, включающий нагрев заготовки, ее горячую деформацию, циклическое охлаждение поверхности раската с промежуточным и окончательным отогревами поверхности до температур ниже точки Ac₁ и окончательное охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что перед циклическим охлаждением проводят деформацию с единичным обжатием 22,5-23,5% от площади поперечного сечения, а циклическое охлаждение проводят с количеством циклов, равным трем, в течение времени (0,030-0,055)Д с в каждом цикле охлаждения с промежуточным отогревом поверхности после первого цикла охлаждения в течение 0,38-0,43 с, после второго цикла охлаждения в течение 0,48-0,54 с и окончательный отогрев поверхности проводят в течение 4,5-5,5 с, где Д - диаметр стержня арматурной стали, мм.