Способ комбинированной термомеханической обработки проката из высоколегированных сталей

Изобретение относится к области металлургии, в частности к области производства листового проката ответственного назначения. Для повышения пластичности, а именно относительного удлинения и относительного сужения с сохранением высоких прочностных свойств, увеличения живучести и конструкционного ресурса изделия, осуществляют нагрев изделия, горячую пластическую деформацию, отжиг, закалку с регламентированной скоростью и отпуск, при этом горячую пластическую деформацию проводят в два этапа, первый этап которой осуществляют за 5 проходов с равномерным обжатием по проходам до 7% с последующей выдержкой в течение 20 с и закалкой проката с критической скоростью до 20°С, затем прокат отжигают при температуре 950°С в течение 2 ч, а второй этап горячей пластической деформации осуществляют за 2 прохода с равномерным обжатием по проходам до 17% с последующей выдержкой в течение 20 с, закалкой проката с критической скоростью до 20°С, отпуском при температуре 250°С в течение 2 ч. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к области производства листового проката ответственного назначения методом термомеханической обработки.

Известен способ термомеханической обработки, который включает нагрев со скоростью выше 50°C/с до температур от Ac₁ до Ас₃+200°C, деформацию прокаткой со степенью 45-80%. Ускоренное охлаждение осуществляют с получением мартенситной структуры или продуктов распада аустенита. Отпуск изделий проводят путем одно- или многократного циклического скоростного нагрева (RU 2060282, С21, 26.05.1996).

Недостатком указанного способа является то, что при прокатке листов невозможно осуществить скоростной нагрев крупногабаритных плоских заготовок со скоростью 50°C/с (нет таких индукторов). Нагрев с такой скоростью заготовок можно реализовать только при прокатке сортовой стали.

Известен также способ термомеханической обработки, который включает нагрев, горячую деформацию в последних 5-6 проходах осуществляют с убывающими по проходам обжатиями от 50 до 20% и скоростями деформации 60-120 с^-1, а охлаждение проката с критической скоростью от температуры окончания горячей пластической деформации производят до 350-450°C (RU 763478, С21, 15.09.1980).

Недостатком указанного способа является то, что горячая деформация в последних проходах осуществляется со скоростью деформации 60-120 с^-1, а охлаждение проката с критической скоростью от температуры окончания горячей пластической деформации производят до 350-450°C. На листовом реверсивном стане скорость деформации на порядок ниже, а охлаждение проводят с критической скоростью после регламентированной выдержки до 20°C.

Применение новых схем термомеханической обработки, предусматривающих деформацию в межкритическом интервале температур, значительно расширяет возможность использования двухфазных сталей. Это обусловлено влиянием горячей деформации не только на дислокационное строение сосуществующих фаз, но и на возможность перераспределения легирующих элементов. Для высокопрочных конструкционных сталей в качестве двухфазного используют мартенсито-ферритное состояние, при небольшой доле ферритной составляющей структуры с целью повышения пластичности и вязкости стали при сохранении высокого уровня прочности. Установлено, что распределение ферритных участков в структуре должно быть максимально равномерным, а сами они - весьма дисперсными.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ, включающий нормализацию от температуры 890°C до температуры 800°C. Затем проводили термомеханическую обработку при температуре 800°C после выдержки при этой температуре в течение 5 ч, обжатие составляло 34-42% и осуществлялось за 4-7 проходов (Бернштейн М.Л. и др. // Известия высших учебных заведений «Черная металлургия», №3, 1985, с.84-88).

Недостатком указанного способа является то, что осуществление однократной высокотемпературной термомеханической обработки не обеспечивает достижение высокого уровня пластичности, а именно относительного удлинения и относительного сужения при сохранении высокого уровня прочности. Осуществление этого способа связано со значительными технологическими трудностями при его использовании при обработке легированных сталей. Основная трудность заключается в том, что при реализации указанного способа упрочнения изделий понадобится затратить 5 ч на нагрев заготовок под прокатку. Длительный нагрев способствует поверхностному обезуглероживанию нагреваемых заготовок. В условиях промышленного производства на листопрокатных станах реализация указанного способа может оказаться экономически нецелесообразной из-за больших затрат времени на нагрев.

В известном способе выделение феррита происходит при проведении термомеханической обработки предварительно нормализованной стали после нагрева в течение 5 ч и деформации за 4-7 проходов с обжатием 34-42%. Выделение феррита происходит в ходе нагрева под прокатку и в процессе прокатки и нормализации.

Таким образом, известный способ имеет низкий технический уровень, так как при проведении комбинированной обработки осуществляется длительный нагрев в течение 5 ч для прокатки заготовок с ВТМО. Время, затрачиваемое на нагрев, на порядок выше практикуемого в предлагаемом способе. Длительный нагрев потребует применения защитных покрытий заготовок, чтобы предотвратить обезуглероживание поверхности заготовок.

В этой связи важной задачей является создание нового способа обработки высоколегированных сталей при реализации комбинированной высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО), обеспечивающего повышение механических свойств, а именно относительного удлинения и относительного сужения, а также прокатку листов толщиной 5-6 мм на толстолистовом стане горячей прокатки (минимально возможная толщина листа, полученного при реализации ВТМО с однократного нагрева на толстолистовом стане, составляет 10 мм).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение пластичности, а именно относительного удлинения и относительного сужения с сохранением высоких прочностных свойств с целью увеличения живучести и конструкционного ресурса изделия, изготовленного новым способом обработки высоколегированных сталей при реализации комбинированной ВТМО.

Технический результат изобретения достигается в способе комбинированной высокотемпературной термомеханической обработки проката из высоколегированной стали, включающем нагрев, горячую пластическую деформацию, отжиг, закалку с регламентированной скоростью и отпуск, при этом горячую пластическую деформацию проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют за 5 проходов с равномерным обжатием по проходам до 7% с последующей выдержкой в течение 20 с и закалкой проката с критической скоростью до 20°C, затем прокат отжигают при температуре 950°C в течение 2 ч, а на втором этапе горячую пластическую деформацию осуществляют за 2 прохода с равномерным обжатием по проходам до 17% с последующей выдержкой в течение 20 с и закалкой проката с критической скоростью до 20°C, отпуском при температуре 250°C в течение 2 ч.

Сущность способа заключается в том, что прокатка листов с ВТМО проводится дважды с промежуточным отжигом после первой прокатки. Таким образом, создан новый способ комбинированной термомеханической обработки, который обеспечивает повышение не только относительного удлинения и относительного сужения с сохранением высоких прочностных свойств, но и ударной вязкости, а также прокатку листов толщиной 5-6 мм на реверсивном толстолистовом стане горячей прокатки. При прокатке на реверсивном толстолистовом стане горячей прокатки (с реализацией ВТМО с однократного нагрева) можно получить упрочненный (с повышенными по сравнению с традиционной закалкой от температуры 920°C) механическими свойствами) лист не тоньше 10 мм.

На первом этапе прокатку с ВТМО осуществляли за 5 проходов. Ранее проведенными исследованиями (Бернштейн М.Л. Прочность стали. М.: Металлургия, 1974, 198 с.) установлено, что более высокие свойства достигаются при проведении ВТМО с дробной деформацией (когда с большей полнотой протекают процессы динамической полигонизации) по сравнению с одноразовой деформацией при тех же обжатиях.

На втором этапе прокатку с ВТМО осуществляли за 2 прохода. Режим повторной прокатки с ВТМО за 2 прохода был выбран таким образом, чтобы обеспечить сохранение температуры закалки не ниже 750°C для получения мартенситной структуры. Было установлено, что устойчивость созданной при динамической полигонизации субструктуры определяет не только ее наследование при «прямой» ВТМО (в предлагаемом способе первый этап прокатки с ВТМО), то есть при закалке после горячей деформации, но и ее наследование (равно как и наследование комплекса механических свойств) при последующей после ВТМО термической обработке (в предлагаемом способе повторная ВТМО). По окончании повторной прокатки с ВТМО предусмотрена выдержка в течение 20 с. В случае средне- и высоколегированных сталей сразу после окончания деформации еще имеется состояние горячего наклепа и для протекания полигонизации целесообразна некоторая регламентированная последеформационная выдержка.

Температурные и деформационные режимы выбраны таким образом, чтобы обеспечить протекание динамической полигонизации для эффективного измельчения зерна. На первом этапе заготовку нагревают в кселитовой печи до температуры 920°C и выдерживают для образования однородного твердого раствора аустенита (время нагрева до заданной температуры выбирали из расчета 1 мин на 1 мм сечения, время выдержки не менее 20 мин). Затем нагретую заготовку подстуживали до температуры 860°C и прокатывали за 5 проходов с суммарным обжатием ε_Σ=35% в температурном интервале 860-750°C, который находится в межкритическом интервале температур Ас₃-Ас₁. После окончания деформации заготовку выдерживали на воздухе 20 с и закаливали в воде для предотвращения перлитного превращения. В результате закалки образуется мартенсит в пределах деформировавшихся мелких зерен аустенита. В результате развития динамической полигонизации зерна аустенита измельчаются до 40 мкм. Далее заготовку нагревают в кселитовой печи до температуры 950°C и выдерживают при этой температуре 2 ч, а затем охлаждают на воздухе до температуры 20°C. В процессе отжига происходит выделение феррита в деформированном аустените. В качестве мест его предпочтительного зарождения помимо границ зерен выступают субграницы, сформированные при проведении ВТМО. Далее заготовку нагревают в кселитовой печи до температуры 860°C, деформируют за 2 прохода с суммарным обжатием ε_Σ=34% в температурном интервале 860-750°C, который находится в межкритическом интервале температур Ас₃-Ac₁, то есть непосредственно перед деформацией микроструктура стали состоит из зерен аустенита и феррита, размер которых обусловлен деформацией и отжигом на предыдущих этапах. В ходе деформации в аустените и феррите развивается динамическая полигонизация, по окончании деформации на последнем этапе заготовку выдерживают на воздухе 20 с и закаливают в воде для предотвращения перлитного превращения. На данном этапе деформации формируются зерна феррита и аустенита размером 24-20 мкм. После закалки структура представляет собой мартенсит в пределах зерен аустенита и зерен феррита. Далее проводится отпуск при температуре 250°C в течение 2 ч. Как видно из таблицы 2, достигнуто повышение прочностных характеристик (σ₀₂ и σ_B) более чем на 120 МПа и ударной вязкости a_KCV на 3 Дж/см² высоколегированной стали после обработки ее по предложенному способу по сравнению с однократным ВТМО. То есть использование в предлагаемом способе двукратного ВТМО (вместо однократного), при реализации которого деформация осуществляется в межкритическом интервале с промежуточным отжигом, обеспечивает достижение повышенного комплекса механических свойств, а именно относительного удлинения и относительного сужения высоколегированных сталей, что повышает конструктивную прочность изделий.

Для определения степени достоверности способа была проведена прокатка пяти заготовок по комбинированной схеме ВТМО. Приведенный в таблице 2 комплекс механических свойств: σ_В=1980 МПа, σ₀₂=1820 МПа, δ₅=8,0%, ψ=48%, a_KCV=9,0 Дж/см² был получен в результате отбора от каждой прокатанной заготовки не менее 3-х образцов на каждый вид испытаний. Кроме того, использование предлагаемого способа имеет следующую практическую ценность: расширение сортамента прокатываемых листов; расширение области применения и технологии процесса.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: способ, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен к использованию в промышленности и научно-исследовательской работе для повышения эффективности обработки специальных высоколегированных сталей способом двукратной ВТМО, обеспечивающий прокатку более тонких листов с одновременным повышением комплекса механических свойств и, как следствие, улучшая эксплуатационные характеристики деталей машин; для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанной в заявке новой совокупности параметров способа; способ комбинированной обработки с ВТМО, воплощенный в заявленном изобретении, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость».

Способ комбинированной термомеханической обработки проката из высоколегированной стали, включающий нагрев, горячую пластическую деформацию, отжиг, закалку с регламентированной скоростью и отпуск, отличающийся тем, что горячую пластическую деформацию проводят в два этапа, первый этап которой осуществляют за 5 проходов с равномерным обжатием по проходам до 7% с последующей выдержкой в течение 20 с и закалкой проката с критической скоростью до 20°С, затем прокат отжигают при температуре 950°С в течение 2 ч, а второй этап горячей пластической деформации осуществляют за 2 прохода с равномерным обжатием по проходам до 17% с последующей выдержкой в течение 20 с, закалкой проката с критической скоростью до 20°С, отпуском при температуре 25°С в течение 2 ч.