Способ сфероидизирующей термической обработки стали

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке низкоуглеродистых низколегированных сталей бейнитного класса при производстве проката. Для повышения технологичности процесса, повышения пластичности, ударной вязкости и хладостойкости прокат с температуры 900°С интенсивно охлаждают до 580°С с образованием доэвтектоидного феррита, а затем осуществляют его замедленное охлаждение в бейнитной области до температуры 200-250°С со скоростью, не превышающей 0,025°С/с, с обеспечением формирования структуры зернистой формы карбидной фазы с сохранением остаточного аустенита. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сфероидизирующей обработке низкоуглеродистых низколегированных сталей бейнитного класса при производстве проката.

Известен способ сфероидизирующей термической обработки стали путем прерванной закалки, заключающийся в том, что охлаждение стали осуществляют от надкритических температур со скоростью, равной или большей критической скорости закалки на мартенсит, прерывают охлаждение стали при температурах ниже точки A₁, но выше точки М_н и продолжают со скоростью, значительно меньшей критической скорости закалки. Способ используют для термической обработки средне- и высокоуглеродистых сталей (Долженков И.Е., Долженков И.И. Сфероидизация карбидов в стали / И.Е.Долженков, И.И.Долженков. - М.: Металлургия, 1984. - с.65-69).

Основным недостатком вышеописанного способа сфероидизирующей термической обработки стали является низкая технологичность, так как прерывание охлаждения стали при температурах ниже точки A₁, но выше М_н приводит к распаду аустенита по промежуточному механизму, сфероидизация карбидов не получает должного развития, ферритоцементитная смесь приобретает игольчатое или пластинчатое строение, что в свою очередь приводит к снижению пластичности, вязкости и хладостойкости стали (см. таблицу).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ улучшающей термической обработки стали, включающий интенсивное охлаждение проката со скоростью, при которой происходит образование доэвтектоидного феррита, и последующий высокий отпуск при 100-600°С продолжительностью не менее 1,5 ч (патент RU 231932, МПК⁷ С21D 1/25, С21D 1/02 С21D 8/00).

Основным недостатком данного способа является пониженная технологичность процесса термической обработки стали, так как требуемая структура зернистой формы карбидной фазы в стали формируется в результате двух последовательных операций - интенсивного охлаждения проката со скоростью, при которой происходит образование доэвтектоидного феррита, и высокого отпуска, что не позволяет сохранить остаточный аустенит и приводит к снижению пластичности, ударной вязкости и хладостойкости стали (см. таблицу).

Предлагаемым способом решается задача повышения технологичности процесса сфероидизирующей термической обработки стали.

Для достижения этого технического результата в способе сфероидизирующей термической обработки стали, включающем интенсивное охлаждение проката со скоростью, при которой происходит образование доэфтектоидного феррита, согласно изобретению после интенсивного охлаждения проката осуществляют его замедленное охлаждение в бейнитной области до температуры 200-250°С со скоростью, не превышающей 0,025°С/с.

Охлаждение проката со скоростью, при которой еще возможно образование доэвтектоидного феррита, с последующим замедленным охлаждением в бейнитной области обеспечивает начало частичного распада переохлажденного аустенита на доэвтектоидный феррит. Период интенсивного превращения сменяется стабилизацией аустенита, после которого распад продолжается с образованием бейнитного феррита и карбидов различного размера. Преимущественно образуются крупные глобулярные карбиды. После охлаждения в структуре стали сохраняется остаточный аустенит. Таким образом, в результате предлагаемой сфероидизирующей обработки в стали формируется структура, состоящая из ферритной матрицы, остаточного аустенита и скоплений карбидов преимущественно глобулярной формы.

Повышение технологичности процесса сфероидизирующей термической обработки стали обусловлено формированием при непрерывном охлаждении проката без осуществления отпуска, что необходимо при выполнении способа, выбранного в качестве прототипа, благоприятной структуры с зернистой формой карбидной фазы в стали с сохранением остаточного аустенита, и, следовательно, обусловлено высокими показателями пластичности, ударной вязкости и хладостойкости стали (см. таблицу).

Замедленное охлаждение проката в бейнитной области до температуры 200-250°С является оптимальным. Скорость охлаждения ниже указанной температуры из-за невысокого коэффициента диффузии углерода существенно не влияет на процесс сфероидизации карбидной фазы в стали и может выбираться как больше, так и меньше 0,025°С/с.

Скорость замедленного охлаждения проката в бейнитной области, не превышающая 0,025°С/ч, является оптимальной, так как приводит к формированию глобулярной карбидной фазы в стали. Скорость замедленного охлаждения проката в бейнитной области, превышающая 0,025°С/с, приведет к формированию неоднородной смеси феррита, игольчатого бейнита и мартенсита.

Данный способ применим для сталей, имеющих на термокинетической диаграмме обособленную бейнитную область.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена термокинетическая диаграмма превращения аустенита стали и нанесены кривые скоростей охлаждения проката (А - аустенит, М - мартенсит, Б - бейнит, П - перлит, Ф - феррит) и таблицей, в которой представлены механические свойства образцов из стали, изготовленных по способу-аналогу, способу-прототипу и по предлагаемому способу сфероидизирующей термической обработки.

В случае, если скорость охлаждения меньше чем Vmin, распад аустенита протекает в перлитной области термокинетической диаграммы, происходит выделение пластинчатых карбидов, дальнейшее замедленное охлаждение не приводит к их коагуляции. При скоростях охлаждения больших чем Vmax происходит формирование бейнитной структуры, в которой коагуляция карбидов затруднена.

Способ сфероидизирующей термической обработки стали осуществляют следующим образом.

Горячекатаный прокат с температуры 1250-900°С интенсивно охлаждают со скоростью, при которой еще происходит образование доэвтектоидного феррита, с критической скоростью закалки на бейнит, до достижения температуры ниже начала бейнитного превращения на 20-50°С путем орошения водовоздушной смесью через форсунки. Затем прокат подают в печь, где замедленно охлаждают в бейнитной области до температуры 200-250°С со скоростью, не превышающей 0,025°С/с. В результате охлаждения формируется структура, содержащая феррит, карбиды зернистой формы и остаточный аустенит.

Пример. Проводили сфероидизирующую обработку полосового проката стали 20Х2НАч (ТУ 14-1-3779-84) толщиной 8 мм. Состав стали (в %): 0.23 С; 0.32 Mn; 0.24 Si; 1.55 Cr; 1.14 Ni; 0.005 S; 0.015 Р; 0.03 РЗМ; 0.02 Al.

Испытания на ударную вязкость проводили на образцах типа 3 по ГОСТ 9454-78. Испытания на растяжение проводились на образцах типа 3 номер 5 по ГОСТ 1497-84. Сфероидизирующая термическая обработка заключалась в интенсивном охлаждении проката с температуры 900°С в потоке водовоздушной смеси со скоростью 6°С/с до температуры 580°С с последующим замедленным охлаждением в печи со скоростью 0,025°С/с.

Для получения сравнительных данных проводили улучшающую термическую обработку, включающую охлаждение с 900°С со скоростью, при которой происходит образование доэвтектоидного феррита, и отпуск при 400°С, и сфероидизирующую термическую обработку путем прерванной закалки, включающую интенсивное охлаждение с 900°С до 400°С со скоростью 600°С/с, и последующее замедленное охлаждение со скоростью 0,35°С/с однотипных образцов, изготовленных из этой же стали.

В каждой группе образцов определяли показатели пластичности, ударной вязкости при 20°С и ударной вязкости при -60°С (хладостойкость). Данные сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что предлагаемый способ сфероидизирующей термической обработки стали позволяет получить комплекс механических свойств, превышающий комплекс механических свойств стали, получаемых при термической обработке по способу-аналогу, и превышающий механические свойства стали, полученные при термической обработке по способу-прототипу.

Использование предлагаемого способа сфероидизирующей термической обработки стали обеспечивает по сравнению с прототипом получение структур зернистой морфологии без дополнительной операции отпуска, это увеличивает пластичность, ударную вязкость и хладостойкость стали.

Таблица Способ сфероидизирующей термической обработки стали Механические свойства образцов из стали, изготовленных по способу аналогу-аналогу, способу-прототипу и по предлагаемому способу сфероидизирующей термической обработки стали
Назначение обработки	Режимы термообработки	Относительное сужение, %	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, МДж/м2
20°С	-60°С
Прерванная закалка (аналог)	Интенсивное охлаждение с температуры 900°С до 400°С со скоростью 600°С/с и последующее замедленное охлаждение со скоростью 0,35°С/с	45	12	1,1	0,8
Улучшающая термообработка (прототип)	Охлаждение с температуры 900°С и отпуск в течении 6 часов при температуре 400°С.	70	20	2,3	1,2
Предлагаемый способ термообработки	Охлаждение проката с 900°С до 580°С со скоростью 6°С/с, охлаждение со скоростью 0,025°С/с	74	31	2,8	1,9

Способ сфероидизирующей термической обработки стали, включающий интенсивное охлаждение проката со скоростью, при которой происходит образование структуры доэвтектоидного феррита, отличающийся тем, что после интенсивного охлаждения проката осуществляют его замедленное охлаждение в области формирования бейнитной структуры до температуры 200-250°С со скоростью, не превышающей 0,025°С/с.