CC BY
181
УДК 669.24:620.183
И. Н. Куницкая1, канд. техн. наук Я. И. Спектор1, д-р техн. наук В. Е. Ольшанецкий2
1 Украинский научно-исследовательский институт специальных сталей, сплавов и ферросплавов
«УкрНИИспецсталь, 2 Национальный технический университет;
г. Запорожье
ДИНАМИЧЕСКАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ МНОГОПРОХОДНОЙ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ
Рассмотрены особенности динамической рекристаллизации специальных сталей в процессе многопроходной горячей деформации. Показано, что за счет выхода пакетов скольжения на границы зерен, увеличения скорости их образования происходит локальное формирование ультрамелкихрекристаллизованных зерен с высокоугловой разориентировкой границ.
Ключевые слова: динамическая рекристаллизация, ультрамелкое зерно, многопроходная прокатка, специальные стали.
Введение
Кинетика рекристаллизации и структурообразова-ния при горячей деформации рассмотрена многими исследователями [1-3]. В условиях использования лабораторных станов испытаниями на кручение и сжатие показано, что процессом, наиболее значительно влияющим на структурные изменения при многопроходной прокатке, является динамическая рекристаллизация.
Реализация динамической рекристаллизации важна как для процесса разупрочнения и повышения технологичности горячего передела, так и для измельчения зерна непосредственно при деформации.
Для возможности управления структурой при горячей деформации для различных сталей специального назначения построены диаграммы рекристаллизации [4]. Кинетика рекристаллизации, представленная на этих диаграммах, отражает влияние различных факторов (структуры, режима прокатки и др.) на ход протекания этого процесса. Прежде всего это касается выделений промежуточных дисперсных фаз, количества и процентного содержания основных фаз, а также ликвационных распределений указанных фаз в микроструктуре сталей. При горячей деформации степень ликвации уменьшается за счет многократных высокотемпературных (в том числе специальных гомогенизирующих) нагревов, и действия самой деформации. В результате улучшается однородность структуры с уменьшением количества 5-феррита; снижается балл карбидной неоднородности и размер карбидов, достигается равномерное распределение и округлая форма частиц карбидной и интерметаллид-ной фазы. Тем не менее сохранение некоторой частичной структурной неоднородности по ферритной фазе, распределению и морфологи дисперсных карбидов, интерметаллидов (ст- и %- фаз) в аустените может повлиять на кинетику рекристаллизационных процессов.
Особенностью диаграмм кинетики рекристаллизации, построенных в определенных температурных интервалах, является то, что они отражают высокую скорость динамической рекристаллизации в очаге деформации. Выполненные расчеты показали, что эффективная энергия активации динамической рекристаллизации существенно меньше в сравнении с рекристаллизацией во время междеформационной паузы [5]. На наш взгляд, ускоренная кинетика динамической рекристаллизации связана с образованием зародышей рекристаллизации за счет механизма локального появления зубчатости исходных границ при выходе на них так называемых пакетов скольжения, а также образования новых динамически рекристалли-зованных зерен вдали от исходных границ.
Подобный локальный механизм характерен также и для формирования нанокристаллических зерен при интенсивной пластической деформации сдвигом [6]. Однако использование интенсивной пластической деформации ограничивается отсутствием промышленных технологий и вследствие этого - небольшим сортаментом конечной продукции. При этом в процессе горячей деформации локальный механизм формирования зародышей имеет свои особенности.
Цель работы - на примере модельной и промышленной многопроходной горячей прокатки спецсталей, используя термокинетические диаграммы рекристаллизации и расчеты эффективной энергии активации динамической рекристаллизации, представления о локальном формировании зародышей, показать особенности динамической рекристаллизации и формирования ультрамелкого зерна.
Методика проведения исследований
Рассмотрение кинетики и механизма рекристаллизации горячедеформированного аустенита выполнено на лабораторном стане ДУО-250 одно- и двухпроход-
© И. Н. Куницкая, Я. И. Спектор, В. Е. Ольшанецкий, 2010
ной прокаткой заготовок коррозионностойкой стали 10Х17Н13М2Т в интервале температур 1000-1150 °С со степенью обжатия 15-25 % за один проход и меж-деформационными паузами 10-1000 с. Под прокатку использовали заготовки полосового сечения с размером 19,5x22x50 мм, полученные из сортового прутка диаметром 22 мм после его порезки и обжатия на лабораторном стане. Подготовка микроструктуры под прокатку выполнена отдельным нагревом до 1200 °С с выдержкой 8 часов и последующим охлаждением в воде для получения крупного зерна (150-180 мкм), что характерно для высокотемпературных нагревов передельных заготовок, а также для достоверного разделения рекристаллизованных и нерекристаллизованных зерен. С помощью электронной и световой микроскопии выполнена идентификация и определен характер распределения дисперсных карбидных и интерметал-лидных фаз, образующихся в ликвационных зонах (в различных температурных интервалах) и сопровождающих рекристаллизационные процессы.
Представления о динамической рекристаллизации в стали с различной степенью структурной неоднородности (например, при переделе литого металла и деформированной заготовки) получены при исследовании сортовых кованых (диаметром 200-250 мм) и катаных (диаметром 150-190 мм и 22 мм) прутков сталей 10Х17Н13М2Т и 10Х18Н10Т в состоянии после прокатки с охлаждением на воздухе или после закалки в воду. Влияние неоднородности микроструктуры в передельном металле на кинетику и особенности структуры рекристаллизаци изучены после высокотемпературного кручения образцов из кованой (диаметром 220 мм) и катаной (диаметром 180 мм и 22 мм) стали 10Х17Н13М2Т.
Представления о динамической рекристаллизации в микроструктуре с различной степенью неоднородности (например при переделе литого металла и деформированной заготовки) получены исследованием сортовых кованых (диаметром 200-250 мм) и катаных (диаметром 150-190 мм и 22 мм) прутков сталей 10Х17Н13М2Т и 10Х18Н10Т в состоянии после прокатки с охлаждением на воздухе или после закалки в воду. Влияние неоднородности микроструктуры в передельном металле на кинетику и особенности структуры рекристаллизации изучены после высокотемпературного кручения образцов из кованой (диаметром 220 мм) и катаной (диаметром 180 мм и 22 мм) стали 10Х17Н13М2Т.
Результаты исследований и их обсуждение
На рис. 1 приведены микроструктуры горячедефор-мированных прокаткой при 1100 °С и 1150 °С образцов стали 10Х17Н13М2Т с исходным крупным зерном диаметром 100-200 мм. Видно, что по телу крупного зерна и на его границах уже в очаге деформации образуются динамически рекристаллизованные мелкие зерна размером 1-13 мкм. Неоднородность обра-
зования зерен связана с несколькими структурными факторами: границами зерен, неоднородностью расположения «следов» пластической деформации - линий сдвига (рис. 1, б), двойников (рис. 1, г), ликваци-онной строчечностью (полосчатостью) карбидных, нитридных и карбонитридных фаз (рис. 1, а). В этих зонах особенно проявляется неоднородность сдвиго-образования и, соответственно, распределения плотности дислокаций. В указанных местах происходит выход «пакетного скольжения», характерного для горячей деформации, на уже частично сформированные высокоугловые границы - границы вторых фаз или высокоугловые границы между исходными зернами (рис. 1, а), а также торможение скольжения «пакетов» на неоднородностях пластической деформации. Энергетическая подготовленность таких зон, с одной стороны, за счет наличия готовой высокоугловой границы, с другой стороны, за счет сохранения в самом пакете минимальной (близкой к исходной, до деформации) плотности дислокаций способствует формированию в таких зонах первых зародышей рекристаллизации. Иными словами, возникает «зародышевая зона» с минимальной эффективной энергией активации для превращения ее в зародыш рекристаллизации. Эти представления согласуются с показанной существенно меньшей энергией активации процесса динимической рекристаллизации по сравнению с рекристаллизацией при последеформационной выдержке [5].
Выполненные металлографические исследования и анализ кинетики динамической рекристаллизации в целом показали следующие морфологические особенности структуры, связанные с динамической рекристаллизацией при горячей прокатке стали 10Х17Н13М2Т:
- зубчатость границ исходных деформированных зерен (размер зубцов 0,5-б мкм);
- наличие рекристаллизованных зерен внутри исходных деформированных зерен.
При этом в микроструктуре с зубчатостью границ зерен выявлены цепочки динамически рекристалли-зованных зерен, расположенных преимущественно в приграничных участках, или отдельные зерна, сформировавшиеся непосредственно на зубцах.
Увеличение количества рекристаллизованных зерен в направлении к границам зерен наблюдается одновременно с незначительным процентом динамически рекристаллизованных зерен в центральных участках исходного зерна. Если динамическая рекристаллизация начинается с внутренних объемов исходного зерна, то развитие зубчатости может быть несущественным на фоне значительного процента рекри-сталлизованной структуры и исчезновения границ старых зерен.
Особенностью такой динамической рекристаллизации, инициированной деформацией, является одновременное формирование зародышей рекристаллизации,
д X 220
Рис. 1. Микроструктура динамической (в очаге деформации) рекристаллизации стали 10Х17Н13М2Т после однопроходной прокатки при 1100 °С (а, б) и 1150 °С (в, г, д) без последеформационной выдержки
их рост и преобразование в зерна с высокоугловыми границами.
Так, при сравнительно низких температурах прокатки 1000-1100 °С динамическая рекристаллизация идет с образованием зубчатости и небольшого количества новых зерен на границах. Средняя высота зубцов невелика - 0,5-2 мкм, процент рекристаллизации составляет порядка 2-6 %. В этом интервале температур выделяются дисперсные частицы карбидов, которые и замедляют динамическую рекристаллизацию.
С повышением температур прокатки до 1150 °С характер динамической рекристаллизации меняется: на миграцию границ зерен и образование зубчатости накладываются инициированные деформацией процессы динамической рекристаллизации по всему объему исходного зерна. Размер рекристаллизованных зерен составляет 3-13 мкм, средняя высота зубцов увеличивается до 5-6 мкм. При этом степень развития зубчатости снижается, а процент динамической рекристаллизации возрастает до 25-35 % за один проход. Растет также доля динамической рекристаллизации в об-
щем проценте рекристаллизованной структуры, рис. 1.
Улучшение распределения и морфологии вторичных фаз и, как следствие, повышение степени гомогенности твердого раствора показало снижение интенсивности выделения дисперсных карбидных и интер-металлидных фаз при температурах горячей деформации. Тормозящее влияние фаз на процесс рекристаллизации уменьшается, ускоряется кинетика динамической рекристаллизации и образование мелких зерен.
Описанные результаты и представления о динамической рекристаллизации в очаге деформации прокаткой учтены при исследовании влияния ликвационных структурных неоднородностей на горячую пластичность стали, а также для получения ультрамелкозер-нистых (близких к нанокристаллическим) структур. Опробована многопроходная горячая деформация кручением на торсионном пластомере «Ирсид» в режиме т. н. интенсивной пластической деформации с регулированием скорости, степени, температуры и межде-формационных пауз (рис. 2).
Температура, °С
Рис. 2. Высокотемпературная деформация (е) до разрушения в интервале температур горячего передела при кручении стали
10Х17Н13М2Т с различным исходным состоянием:
литой металл - -о- и с предварительной выдержкой при температуре кручения 1 час; литой металл с гомогенизизацией по режиму 1250 °С, 5 часов (-А-); кованая заготовка диаметром 200-250 мм (-♦-); прокат диаметром 22 мм (-■- - нагрев на 1200 °С, 0,5 часа с подстуживанием до температуры испытания)
Рис. 3. Ультрамелкое зерно в стали 10Х17Н13М2Т в образце после кручения при 1100 °С. Просвечивающая электронная микроскопия на фольгах (электронный микроскоп фирмы «СЭЛМИ», г. Сумы)
В результате интенсивной горячей пластической деформации кручением металла стали 10Х17Н13М2Т из горячекатаного прутка диаметром 22 мм с рекрис-таллизованной мелкозернистой структурой во время каждого акта кручения формируется ультрамелкое зерно величиной 0,8-2 мкм, рис. 3, и повышается горячая пластичность (кривая 5 рис. 2).
В кованом метале процессы динамической рекристаллизации и формирования мелкого зерна тормозятся за счет сохранения ликвационных зон с повышенным содержанием ферритной фазы и выделениями дисперсных карбидов. Неоднородность микроструктуры прутковой стали, используемой для кручения,
была минимальной: наблюдается аустенит с тонкими полосами сохранившегося 5- феррита, который растворяется при гомогенизационном нагреве перед деформацией.
При исследовании промышленных плавок сталей 10Х17Н13М2Т и 08Х18Н10Т показаны основные принципы формирования рекристаллизованных микроструктур при горячем переделе. Они согласуются с результатами, полученными при моделировании передела горячей прокаткой и кручением на металле с разным структурным состоянием. Были учтены различия температурно-временных условий в прокатном и ковочном производстве, а также размер профиля при исследовании микроструктуры.
В процессе ковки длительность междеформацион-ных пауз, а следовательно, и охлаждение металла больше, чем при прокатке. Поэтому используется межде-формационный нагрев заготовок. Таким образом, рек-ристаллизационные процессы начинаются непосредственно в очаге деформации и получают дальнейшее развитие во время последеформационных пауз, а также при междеформационном нагреве. Наоборот, при прокатке рекристаллизация ускоряется за счет динамических процессов, вследствие небольшой паузы между проходами (10-15 с) и незначительного падения температур.
Для исследования рекристаллизации была выбрана зона вырезки образцов под механические испытания на расстоянии 17-20 мм от поверхности заготовок.
На основе предварительных данных по моделированию приняли, что эта зона в процессе деформации не испытывает ускоренного охлаждения и торможения рекристаллизации вследствие перепада температур между нагретой заготовкой, температурой окружающей среды и валков прокатного стана. Считали, что кинетика рекристаллизации здесь определяется выше описанными температурно-временными особенностями процесса деформации с постепенным охлаждением металла.
В кованой стали сформирована частично рекристал-лизованнная структура, при этом процент рекристаллизации составляет 25-70 %. Рекристаллизованное зерно довольно крупное в сравнении с полученным при прокатке. Это объясняется недостаточным развитием динамической рекристаллизации в условиях действия снижения температур при многократной и замедленной в сравнении с процессом прокатки деформацией, а также с промежуточными междеформационными нагревами.
При исследовании проката наблюдали мелкозернистую и однородную рекристаллизованную структуру с тонкими вытянутыми выделениями ферритной фазы. Процент рекристаллизованной структуры, в основном за счет динамической рекристаллизации, инициированной деформацией, составляет 80-95 % [7]. Результаты исследований показали, что кинетика динамической рекристаллизации и измельчение зерна определялись температурно-деформационным режимом.
Выводы
1. В условиях горячей многопроходной деформации со степенью 15-25 % за один проход в интервале температур 1000-1150 °С происходит динамическая рекристаллизация.
2. Динамически рекристаллизованные зерна зарождаются в местах выхода «пакетов скольжения» на структурные неоднородности - границы исходных зе-
рен, ликвационные выделения вторых фаз, зоны расположения неоднородного сдвигообразования, характерного для горячей деформации. Наличие частично сформированных высокоугловых границ в указанных местах, а также небольшая плотность дислокаций в теле пакета способствуют последующему формированию рекристаллизованных зерен, в том числе ультра -мелких размером 0,8-2 мкм.
Перечень ссылок
1. Recrystallization of austenitic stainless steels after hot rolling / [D. Taul, G. Gledman] // Metal Science. - 1979. -Vol. 13. - № 3-4. - P. 246-256.
2. Механизм образования зубчатости на границах зерен при горячей пластической деформации / [М. И. Синельников, Я. И. Спектор, К. Н. Мурина, Н. В. Тихий] // Физика металлов и металловедение. - 1973. - Т. 36. -Вып. 2. - С. 420-423.
3. Effect of initial grain size on dynamic recrystallization in high purity austenitic stainless steels / [M. El Wahabi, J. Gavard, F. Montheillet et al.] // Acta Mat. - 2005. - Vol. 53. -Issue 17. - P. 4605-4612. - Режим доступу до журн. : www.actamat-journals.com.
4. Термокинетические диаграммы рекристаллизации аус-тенита при горячей прокатке специальных сталей / [Я. И. Спектор, И. Н. Куницкая, Р. В. Яценко, А. Н. Тум-ко] // МиТОМ. - 2008. - № 7. - С. 6-9.
5. Об энергетике структурообразования при горячей деформации прокаткой аустенитной стали / [И. Н. Куниц-кая, В. Е. Ольшанецкий, Я. И. Спектор и др.] // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. -2009. - № 2. - С. 17-23.
6. Nanostructures by severe plastic deformation of steels: advantаges and problems / Dobatkin S.V., Zrnik J., Mamuzic I. // Metalugija. - 2006. - Vol. 45. - № 4. -P. 313-321.
7. Термокинетические диаграммы и механизмы рекристаллизации при многопроходной горячей деформации специальных сталей / [Я. И. Спектор, И. Н. Куницкая, А. Н. Тумко и др.] // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2009. - № 1. - С. 11-17.
Одержано 21.06.2010
I. N. Kunitskaya, Ya. I. Spector, V. E. Ol’shanetskiy SPECIAL STEELS DYNAMIC RECRYSTALLIZATION IN MULTIPASS HOT
DEFORMATION
Розглянуті особливості динамічної рекристалізації спецсталей у процесі багатопрохідної гарячої деформації. Показано, що завдяки виходу пакетів ковзання на межі зерен, збільшення швидкості їх утворення відбувається локальне формування ультрадрібнихрекристалізованих зерен з висококутовою дезорієнтацією меж.
Ключові слова: динамічна рекристалізація, ультрадрібне зерно, багатопрохідне прокатування, спеціальні сталі.
The special steels dynamic recrystallization features in multipass hot deformation have been considered. The local formation of ultrafine grains with high-angle boundaries disorientation take place, as a result packages slip exit into grain boundaries and heterogeneousness and also energy ability of these zones.
Key words: dynamic recrystallization, ultrafine grain, multipass rolling, special steels.
