CC BY
173
УДК 620.186.82
ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ПРИ РАЗВИТИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ
СТАЛЕЙ
В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, М.И. Шкатов, Д.Н. Романенко
В условиях, моделирующих горячую прокатку на НШС ГП 2000 ОАО «НЛМК», проведена оценка развития процессов динамической, метадинамической рекристаллизации после горячей деформации в конструкционных сталях
Ключевые слова: критическая деформация, динамическая рекристаллизация, метадинамическая
рекристаллизация, горячая деформация, бывшее аустенитное зерно
Для значительных объемов стальной металлопродукции горячая прокатка является окончательной операцией, определяющей
качественные и эксплуатационные
характеристики металла .
В деформированном аустените во время горячей прокатки протекает ряд высокотемпературных процессов, от которых, главным образом, зависит структура во время различных стадий прокатки. От степени развития этих процессов (упрочнение, разупрочнение, возврат, рекристаллизация,
выделение второй или нескольких фаз) во многом зависят структура и свойства металлопродукции [1]. Осуществление деформации по оптимальному или неоптимальному температурно-
деформационному режиму может привести к образованию разнозернистой или однородной структуры, получению устойчивой и развитой субструктуры.
Контроль упрочнения (наклепа) и
разупрочнения (статическая, динамическая и метадинамическая рекристаллизация) при горячей деформации являются основным механизмом регулирования процессов структурообразования. Изучение кинетики этих процессов в низкоуглеродистых сталях, а также их контроль связан с серьезными трудностями, так как при охлаждении до температур, допускающих применение количественной металлографии, проходит полиморфное превращение [2].
Гадалов Владимир Николаевич - ЮЗГУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4712) 58-71-04, e-mail: gadalov-
VN@yandex.ru
Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, доцент, тел. (473) 246-29-90, e-mail: safonov@vorstu.ru Шкатов Максим Игоревич - ОАО «НЛМК», ведущий инженер лабораторий технологий холодной прокатки, тел. (4742) 44-20-00, e-mail: shkatovmax@mail.ru Романенко Дмитрий Николаевич - ЮЗГУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4712) 58-71-04, e-mail: romanenko-kstu46@yandex.ru
Поэтому для фиксации промежуточных структур, получаемых при горячей прокатке, используют ускоренное охлаждение аустенита, которое возможно лишь на малогабаритных образцах. Так и при достаточно высокой скорости охлаждения горячекатаных листов необходимо учитывать не только динамическую рекристаллизацию аустенита, но и статическую рекристаллизацию по завершению деформации [2].
В работах [3, 4] предложена модель прогнозирования кинетики и зеренной структуры аустенита при динамической рекристаллизации по данным о кинетике статической рекристаллизации.
Основополагающим принципом в этих моделях является физическое сходство статической и динамической рекристаллизации, различие состоит в условиях реализации этих процессов: после завершения деформации или в ходе деформации при монотонном росте степени деформации.
В данной работе на основе этого принципа осуществлен расчет параметров динамической рекристаллизации при горячей прокатке конструкционных сталей и проведены исследования микроструктуры в условиях, моделирующих горячую прокатку на непрерыном широкополосном стане 2000 горячей прокатки (НШС ГП) ОАО «НЛМК».
Для исследования использовались конструкционные стали марок СтЗпс, 09Г2С и 08Ю, выплавленные в условиях ОАО «НЛМК». Химический состав сталей приведен в табл. 1.
Выплавка металла произведена кислородно-конвертерным способом и после непрерывной разливки слябы подвергнуты горячей прокатке на НШС ГП 2000 ОАО «НЛМК». Образцы размером (2,5-4,0)*40*150 мм вырезались из центральной части по ширине полосы.
Химический состав сталей, % (вес.)
Марка стали С Мп БІ Р Б Сг № Си А1 N
Ст3сп 0,2 0,43 0,198 0,008 0,006 0,02 0,02 0,05 0,025 0,005
09Г2С 0,09 1,65 0,519 0,022 0,006 0,04 0,02 0,05 0,028 0,004
08Ю 0,047 0,21 0,021 0,016 0,019 0,03 0,02 0,04 0,039 0,003
Процесс горячей прокатки на непрерывных широкополосных станах зависит от многих технологических параметров, взаимосвязанных между собой (степень деформации, скорость прокатки,
температурные режимы и т.д.). Проведение активных экспериментов в условиях действующего непрерывного производства на промышленных станах является трудоемким и затратным. Морфология превращений, происходящих в структуре во время горячей прокатки на НШС ГП, обезличивается в процессе дальнейшего воздействия температур и деформаций в последующих клетях непрерывного стана. В данном исследовании использован метод физического моделирования [5], в ходе которого реализовано подобие деформационно-скоростных и температурных параметров горячей прокатки в чистовой группе клетей НШС ГП 2000.
Нагретые до 9000С в лабораторной
камерной печи образцы прокатывались на одноклетьевом двухвалковом лабораторном
стане 200 с постоянной скоростью прокатки 0,2 м/с и, затем подвергались закалке в баке с водой для фиксации («заморозки») микроструктуры, полученной при горячей
прокатке. Геометрическими критериями
подобия в данном случае приняты относительная деформация £=(Н0-Н1)/Н0 и параметр очага деформации 21/(Н0+Н1), где I -длина очага деформации, Н0 и Н1 - толщина полосы на входе в клеть и выходе из нее соответственно.
Постоянство размера зерна и
однородность исходной структуры аустенита достигалось одинаковым режимом нагрева образцов в печи. Так выдержка в течение 30 минут при температуре 9000С обеспечивала получение однородной аустенитной структуры (рис. 2а). Средний исходный размер зерна аустенита составлял 95±5 мкм. После нагрева образцы доставали из печи, производили замер температуры контактным пирометром
«Та8ЮЬегш МР 2000» (диапазон измерения -200... 13 000С, погрешность измерения ±10С). За время переноса от печи к валкам (1,5-2 сек) образец остывал до 880 0С.
Границы бывших аустенитных зерен в закаленных образцах выявлялись травлением в реактиве: 1 - 4 г пикриновой кислоты, 3 - 5 мл соляной кислоты, 95 - 100 мл этилового спирта.
Возможное развитие процесса статической рекристаллизации в момент переноса горячедеформированных образцов в бак закаливания оценивали по уравнению Аврами-Джонсона-Мела-Колмогорова:
( г"
- В
(1)
где X - степень рекристаллизации, доли; т05- время, за которое рекристаллизация проходит на 50%, с; т - текущее время, с; В= -1п 0,5; п - коэффициент.
Значение т05 определяли по
экспериментально найденной зависимости для углеродистых и низколегированных сталей [6]:
г ^ = 3,869 • 10-4 ехр(-7,921 • 10-5 д гес) г
-3,7d 0
• -0,53 і 0,996
ехр
ЯТ
(2)
где є - истинная деформация, доли; г -скорость деформации, с-1; Т - температура, К; й0 - размер зерна аустенита перед
деформацией, мкм; 0гес - энергия активации рекристаллизации, зависящая от содержания элементов в стали.
По результатам расчета (табл. 2) статическая рекристаллизация не получает развития для всех исследуемых марок стали за промежуток времени («1 сек) между горячей
прокаткой и закалкой.
Однако полученная микроструктура после горячей деформации и закалки в воду полностью рекристаллизованная (рис. 1 а - рис. 1г). Травление в реактиве, содержащем 3%-й раствор ЫК03 в спирте выявляет лишь структуру уже после прошедшего полиморфного превращения (зерна феррита и перлита).
г
0,5
0,137
ГЄС
0
Расчетные па раметры статической рекристаллизации
Марка стали Статическая рекристаллизация, % прогноз Энергия активации рекристаллизации Q, Дж Параметр Ю5, с Коэффициент п в уравнении Авраами
Ст3пс 4,57 188029,79 25,46 0,83
09Г2С 1,63 243434,41 89,62 0,83
08Ю 2,90 170330,08 44,32 0,83
в)
Рис. 1. Фотография микроструктуры стали: а - СтЗпс, б -09Г2С, в - 08Ю (травление образцов в 3%-ном растворе ЫК03 в спирте, увеличение х200).
Возможной причиной такого «быстрого» разупрочнения горячедеформированного
металла является протекание процессов метадинамической рекристаллизации. Когда деформация прервана на стадии динамической рекристаллизации, имеется множество свежих, не успевших подвергнуться наклепу зародышей рекристаллизованных зерен, способных к росту в статических условиях сразу после прекращения горячей деформации. Этим
обусловлена важнейшая для практики
особенность метадинамической
рекристаллизации - отсутствие
инкубационного периода,
рекристаллизационный рост зерен за короткое время охлаждения металла с температуры деформации [7].
Применение методов выявления
аустенитного зерна по ГОСТ 5639 и
специального реактива (1 - 4 г пикриновой кислоты, 3 - 5 мл соляной кислоты, 95 - 100 мл этилового спирта) позволило обнаружить бывшие аустенитные зерна (рис. 2а). Так по границам бывших аустенитных зерен после горячей прокатки стали марки Ст3пс на лабораторном стане с обжатием в 41% при 8800С выявляются мелкие
рекристаллизованные зерна, образование которых может быть связано с прохождением динамической рекристаллизации
непосредственно во время горячей деформации (рис. 2б).
В соответствии с методикой [4] проведен расчет параметра критической деформации для начала динамической рекристаллизации 8С. Результаты представлены в табл. 3.
Таблица 3
Марка стали Обжатие при горячей прокатке, % Скорость деформации, с-1 Истинная деформация, доли Критическая деформация по модели[4], доли Динамическая рекристаллизация по модели [3], %
Ст3пс 41,04 0,22 0,61 0,38 5
09Г2С 42,91 0,23 0,65 0,62 1
08Ю 28,21 0,19 0,38 0,35 0
Рис. 2. Фотография бывших аустенитных зерен стали Ст3пс: а - нагрев до 9000С и закалка в воде, б - нагрев до 9000С, горячая прокатка с обжатием 41% и закалка в воде (травление образцов в реактиве: 1 - 4 г пикриновой кислоты, 3 - 5 мл соляной кислоты, 95 - 100 мл этилового спирта, увеличение *500)
Отмечено, что при значениях истинной деформации 0,61, превышающей критическую деформацию ^=0,38 для стали марки Ст3пс, в микроструктуре по границам бывших аустенитных зерен располагаются мелкие рекристаллизованные зерна, образовавшиеся в результате прохождения динамической рекристаллизации во время горячей прокатки. Для марок 09Г2С и 08Ю подобной морфологии в микроструктуре проката не выявлено, что также подтверждается расчетами критической деформации и динамической рекристаллизации (таблица 3). Процессы динамической рекристаллизации в данных сталях не получают развития, так как деформация при данных параметрах горячей прокатки не превышает критического значения.
Выводы
1. Показано, что в условиях, моделирующих горячую прокатку на НШС ГП
2000 ОАО «НЛМК», возможно развитие динамической рекристаллизации на стали марки СтЗпс.
2. Инициирование процессов
динамической рекристаллизации при горячей деформации начинается при достижении деформации, превышающей критическую деформацию, величина которой определяется условиями прокатки и маркой стали.
3. Разупрочнение и получение полностью
рекристаллизованной структуры после горячей прокатки и последующей закалке связано как с прохождением метадинамической
рекристаллизации, так и накладывающимся процессом статической рекристаллизации.
Литература
1. Гуляев А.П., Гуляев А. А. Металловедение. М.: Альянс. 2011. 644 с.
2. Зисман А.А., Сошина Т.В., Хлусова Е.И. Выявление бывших аустенитных зерен и анализ кинетики метадинамической рекристаллизации аустенита низкоуглеродистой стали в условиях горячей прокатки. Письма о материалах. Т.2. 2012. С. 3-8.
3. Шкатов, В.В. Моделирование кинетики
динамической рекристаллизации низколегированных сталей при горячей деформации. Современная металлургия начала нового тысячелетия: Сборник
научных трудов. Ч.1. Липецк: ЛГТУ. 2007. С. 131-136.
4. Шкатов, В.В. Прогнозирование критической деформации соответствующей началу динамической рекристаллизации в сталях. Известия вузов. Черная металлургия. 2008. № 3. С. 59-61.
5. Генкин, А.Л. Моделирование и оптимизация процесса горячей прокатки полос. М.: Ленанд. 2012. 168 с.
6. Medina, S.F. Improved Model for Static Recrystallization Kinetics of Hot Deformed Austenite in Low Alloy and Nb/V Microalloyed Steels. Iron Steel Inst. Jpn. Int. 1992. Vol. 41. P. 774-781.
7. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: МИСИС. 2005. 432 с.
8. Гадалов, В. Н. Исследование и оптимизация процессов термической и химико-термической обработки литейных жаропрочных никелевых сплавов путем математического моделирования [Текст] / В. Н. Гадалов, А. С. Борсяков, В. М. Рощупкин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. -Т. 2. - № 11. - С. 39-41.
Юго-Западный государственный университет, г. Курск Воронежский государственный технический университет ОАО «НЛМК», г. Липецк
MICROSTRUCTURE EVOLUTION IN DEVELOPMENT DYNAMIC RECRYSTALLIZATION
DURING HOT ROLLING STRUCTURAL STEEL
V.N. Gadalov, S.V. Safonov, M.I. Shkatov, D.N. Romanenko
In conditions simulating hot rolling on a continuous broadband hot rolling mill in 2000 of «NLMK», the estimation of dynamic processes, metadynamic recrystallization after hot deformation in structural steels
Key words: critical deformation, dynamic recrystallization, metadynamic recrystallization, hot deformation, the former austenite grain
