CC BY
101
38/Н69]
:тг:г г: г/^7Шглтг:п
(69), 2013-
The structure formation in electric steel 42Cr4Mo2 under continuous cooling is investigated, the results are summarized in the form of the thermo-kinetic diagram. It is shown that rolled metal annealing during 3.5-4.0 hours at 650-680°C provides the necessary properties of steel and enables to maintain energy consumption.
в. А. ЛУЦЕНКО, ИЧМHAH Украины,
П. А. БОБКОВ, ОАО «БМЗ - управляющая компания холдинга «БМК», Т. Н. ГОЛУБЕНКО, ИЧМ HAH Украины,
Л. А. ДРОБЫШЕВСКИЙ, В. И. ГРИЦАЕНКО, ОАО «БМЗ - управляющая компания холдинга «БМК»
УДК 669.017:669.141.018.29:669.15-194:621.771:621.785
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУР00БРА30ВАНИЯ
КОНСТРУКЦИОННОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СОРТОВОГО ПРОКАТА
В настоящее время снижение потребления энергоресурсов во всех отраслях промышленности по экономическим и экологическим соображениям является первоочередной задачей . Поэтому необходимо создание комплексных программ и мероприятий, способствующих снижению энергозатрат, при этом обеспечивающих требуемые качественные показатели изготавливаемой металлопродукции . Особенно это актуально в автомобилестроении при производстве деталей ответственного назначения (распределительные и коленчатые валы, оси, шпиндели и т. д . ) . Исходным материалом для их производства служит сортовой прокат простого сечения из горячекатаных и/или термически обработанных конструкционных легированных сталей Режиму охлаждения сортового проката после прокатки уделяется большое внимание, поскольку образование флокенов внутри металла является серьезной проблемой . Легированные карбидообра-зующими элементами стали обладают высокой флокеночувствительностью, для снижения которой проводится специальная противофлокенная термическая обработка (ПФО) . Такая обработка особенно необходима при содержании водорода в стали в количестве более 2,0 ррт . ПФО состоит в основном из длительной выдержки и замедленного охлаждения
На ОАО «БМЗ - управляющая компания холдинга «БМК» (ОАО «БМЗ») легированный сортовой прокат производится из непрерывнолитых блюмов размерами 300*400 мм . Блюмы нагревают до температур ~1250 °С и подвергают горячей деформации на реверсивном стане 850 . После про-
катки металл диаметром 140 мм с конечной температурой около 1000 °С охлаждается на воздухе до температур порядка 250-300 °С . Режим ПФО (отжига) включает в себя нагрев проката до температуры 680 °С, выдержку 6,5 ч и охлаждение в печи . Такой режим термической обработки должен гарантировать не только отсутствие флокенов, но и обеспечить необходимые сниженные значения твердости металла [1] . Общая продолжительность термической обработки достигает 35 ч и является энергетически затратным процессом
После проведения на заводе комплексных технологических мероприятий на сталеплавильном переделе содержание водорода в стали (без термической ПФО) составляет менее 1,0 ррт . Поэтому в применении дополнительной противофлокенной термической обработки нет необходимости . Для исследования возможности отмены ПФО сортового проката были исследованы структура и свойства горячекатаного проката без применения термообработки
Исследования качества горячекатаного сортового проката без термической обработки проводили на образцах из стали 42Сг4Мо2 производства ОАО «БМЗ» (табл 1) Микроструктура и измерения твердости горячекатаного проката представлены на рис 1
Исходная микроструктура горячекатаного проката после охлаждения на воздухе (рис 1) состоит из структурно-свободного феррита (10-15%), верхнего и нижнего бейнита (около 70-75%) и тонкопластинчатого перлита (15-20%) .
Твердость проката повышается к центру [2, 3] и ее значения (< 270 НВ) не гарантируют выпол-
_/;г:тт:г ггкгтшлтггп/до
-1(69), 2013/
Т а б л и ц а 1. Химический состав стали 42Сг4Мо2
Массовая доля элементов, %
С Мп Sl р 8 Сг Мо Си А1
0,391 0,748 0,257 0,013 0,023 1,083 0,248 0,114 0,024
Требования [1
0,36-0,42 0,5-0,8 0,10-0,35 тах 0,035 0,02-0,035 0,9-1,10 0,15-0,30 <0,35 0,02-0,06
Рис . 1 . Микроструктура (а) и средние значения твердости (б) горячекатаного проката диаметром 140 мм
из электростали 42Сг4Мо2 . а - х500
нение предъявляемых нормативных требований (< 250 НВ), а наличие большого разброса в значениях твердости по нормам [1] считается недопустимым . Поэтому отмена термической обработки невозможна, ввиду того что она используется в качестве смягчающего отжига. Сортовой прокат с повышенными значениями твердости может привести к значительному снижению стойкости режущего инструмента и предельно допустимых деформаций при изготовлении деталей на последующих переделах
С целью поиска возможных путей сокращения длительности термической обработки был проведен отжиг по сокращенному режиму при более низких температурах выдержки общей продолжительностью 18 ч . При исследовании структуры проката флокенов не обнаружено, однако требуемые значения твердости достигнуты не были
Известно, что в бейните, как более неравновесной структуре, превращения при отжиге проходят быстрее и могут начинаться при пониженных температурах [3]. Поэтому для сокращения продолжительности смягчающей термической обработки необходимо в исходном состоянии стали обеспечить преимущественно бейнитную структуру
В качестве эффективного способа для получения гарантированных требуемых нормативных значений твердости можно использовать процесс термомеханической обработки (ТМО), а именно высокотемпературной термомеханической обработки с изотермическим распадом аустенита в бей-нитной области (ВТМИЗО) [4] . Использование процесса ВТМИЗО позволит производить после-
дующую смягчающую термообработку при более низких температурах, так как образовавшиеся карбиды в верхней части промежуточной области менее дисперсные и коагуляция их начинается при более низких температурах . Для технологической реализации процесса ВТМИЗО необходимы научные знания кинетики превращения аустенита для стали 42Сг4Мо2 .
Близким аналогом по химическому составу для исследуемой стали 42Сг4Мо2 можно принять сталь марки 35ХМ по ГОСТ 4543, для которой построена термокинетическая диаграмма (ТКД) [5] . Результаты исследования кинетики распада аусте-нита стали 42Сг4Мо2 после различных скоростей охлаждения приведены на рис 2
На диаграмме область перлитного превращения несколько смещена относительно бейнитного, так как легирующие элементы диффундируют
Рис . 2 . Термокинетическая диаграмма превращения аусте-нита непрерывнолитой электростали 42Сг4Мо2
дпг:гсгтгшглтг:г
чи / 1 (69), 2013-
с очень малой скоростью, увеличивая продолжительность процесса распада аустенита диффузионным путем, и уменьшают скорость полиморфного превращения вследствие выделения сильно обогащенного цементита [6] . Также действие легирующих элементов (в основном молибдена) проявляется в появлении на диаграмме области с высокой устойчивостью аустенита, разделяющей перлитное и промежуточное превращение в интервале температур 430-600 °С .
При минимальной скорости охлаждения 0,03 °С/с структура хромомолибденовой стали состоит из феррита и перлита С повышением скорости охлаждения снижается количество распавшегося аусте-нита по диффузионному механизму (рис . 3, а) и повышается - по промежуточному механизму (рис . 3, б).
Выше 1 °С/с (рис . 3, в) диффузионный распад подавляется и образование а-железа происходит сдвиговым путем (рис . 3, г) . На распад аустенита по промежуточной кинетике заметное влияние оказывает легирование стали одновременно хромом и молибденом, в результате бейнит образуется в составе смешанной структуры в большом интервале скоростей охлаждения от 0,07 до 24 °С/с [7,8]. С повышением скорости охлаждения выше 24 °С/с переохлажденный аустенит стали 42Сг4Мо2 распадается только с образованием мартенсита
По существующей технологии производства сортового проката из электростали 42Сг4Мо2 при прокатке и охлаждении структура состоит из бей-нита, феррита и перлита (см рис 1) Согласно построенной ТКД, получение такой микроструктуры соответствует охлаждению со скоростью около 0,6-0,7 °С/с (см . рис . 2, пунктирная линия) . Распад
аустенита по диффузионному механизму наблюдается при охлаждении со скоростями 0,03-1 °С/с . Максимальная степень распада аустенита с образованием феррито-перлитной структуры в количестве более 50% в данной стали наблюдается при скоростях охлаждения до 0,4 °С/с . Бейнит в стали 42Сг4Мо2 можно получить при термомеханической обработке с охлаждением после горячей прокатки со среднемассовой скоростью 1,0-2,3 °С/с, что позволит последующий смягчающий отжиг производить при температурах выдержки ниже от существующих
Для возможности сокращения длительности термической обработки были проведены исследования влияния температурно-временных параметров термической обработки на структуру и свойства горячекатаного проката из конструкционной легированной стали В лабораторных условиях термическую обработку образцов из горячекатаного проката проводили по режимам: нагрев до 550, 600, 650 и 680 °С с изотермической выдержкой при данных температурах от 1 до 6 ч и последующим охлаждением на воздухе После термической обработки исследовали структуру и проводили замеры твердости образцов
Структура и механические свойства стали после отжига при 550 °С существенно не изменились . Структурные превращения в сравнении с исходным состоянием прошли незначительно (рис 4, а), даже выдержка в 6 ч при этой температуре не может обеспечить выполнение нормативных требований к стали Морфология цементита в перлите при максимальной выдержке (6 ч) изменяется не более чем на 10% Твердость стали осталась на
Ф 25%
Б 78% М 95%
Рис . 3 . Долевое соотношение структур (Ф-феррит, П-перлит, Б-бейнит, М-мартенсит) электростали 42Сг4Мо2, полученных после аустенизации при температуре 850 °С и последующего непрерывного охлаждения со скоростями . °С/с: а - 0,03;
б - 0,4; в - 1,0; г - 24,0
Рис . 4 . Микроструктура хромомолибденовой стали после отжига при температурах: 550 °С (а), 600 °С (б), 650 °С (в, г), 680 °С (д, е) с изотермической выдержкой 3 ч (г, е) и 6 ч (а, б, в, д) с последующим охлаждением на воздухе . *800
прежнем высоком уровне (рис . 5, линия 1), что не удовлетворяет предъявляемым требованиям .
В большей степени структурные превращения прошли при обработке с нагревом до 600°С (см . рис . 4, б). Доля цементита сферической формы при выдержке 6 ч достигает 15-20%, что значительно снижает твердость стали (рис . 5, линия 2). Однако при такой температуре все еще необходимы длительные выдержки, обеспечивающие равномерные свойства по всему сечению проката
Повышение температуры отжига до 650°С привело к сфероидизации карбидов в большей степени (см . рис . 4, в, г) и при выдержке 3 ч структура и свойства стали (рис . 5, линия 3) соответствовали получаемым после выдержки 6 ч при 600 °С .
Наибольшее смягчение обеспечивается в образцах, обработанных при температуре 680°С (рис . 5, линия 4) .
В структуре перлитного участка после отжига при высоких температурах заметно изменение мор-
фологии цементита в результате прохождения структурных превращений: коагуляции и сфероидизации. Доля сфероидизированных карбидов колеблется от 25-30% при выдержке 3 ч до 50-60% при выдержке 6 ч (см . рис . 4, д, е) [8] . Твердость при этом снижается на 17-20% и полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям
На основании полученных результатов можно рекомендовать проводить термическую обработку стали 42Сг4Мо2 с выдержкой 3,5-4,0 ч при температуре 650-680 °С . Учитывая, что нагрев сортового проката проводят медленно (со скоростью 30-45°С/с), снижение температуры нагрева позволит сократить режим обработки примерно на 1 ч
Снижение температуры и продолжительности изотермической выдержки при отжиге на 4,5 ч позволит сократить расход энергоресурсов на обработку при обеспечении необходимых сдаточных характеристик сортового легированного проката Сокращение операции термообработки за счет раз-
по I г, г:т гп^ш^нта
■ffc/ 1 (69), 2013-
300
(О
I 200 ■и
150 -г*
Рис . 5 . Влияние длительности изотермической выдержки отжига при температурах: 550 °С (1); 600 °С (2), 650 °С (3); 680 °С (4) на снижение твердости хромомолибденовой стали
упрочняющей ТМО будет распространено и на другие легированные марки проката, а также учтено при строительстве на ОАО «БМЗ» нового сор-топроволочного стана .
Выводы
Исследование структуры и свойств горячекатаного проката показало, что отмена противофлокен-ной обработки в технологическом цикле производ-
ства невозможна, так как обеспечивает необходимую пониженную твердость металла На основании построенной термокинетической диаграммы для стали 42Сг4Мо2 установлено, что распад ау-стенита с образованием феррито-перлитной структуры в количестве более 50% наблюдается при скоростях охлаждения менее 0,4 °С/с, а при сред-немассовых скоростях 1,0-2,3 °С/с обеспечивается преимущественно бейнитная структура Показано, что снижение температуры отжига до 550°С к существенным изменениям структуры и свойств не приводит В структуре хромомолибденовой стали при температурах, превышающих 600 °С, проявляется доля цементита зернистой морфологии . Экспериментально установлено, что выдержка в течение 3,5-4,0 ч при отжиге в интервале температур 650-680°С обеспечивает снижение твердости горячекатаной хромомолибденовой стали на 20% и способствует сокращению потребления энергоресурсов на 15%
Литература
1. Спецификация ТАТА SS:4027. Горячекатаные прутки и заготовки из ковкой нелегированной углеродистой и легированной конструкционной стали для автомобильных деталей .
2 . Влияние технологии производства на качественные характеристики горячекатаного крупносортного проката из хромо-молибденовой электростали / В . А . Луценко, В . А . Маточкин, Т Н. Панфилова, В . И. Щербаков // Черная металлургия. 2009. № 4 . С.57-59 .
3 . Особенности формирования структуры и свойств в прокате из стали 42Сг4Мо2 / В . А . Луценко, Т Н. Панфилова, В . И . Щербаков, П . К . Грибовский // Литье и металлургия . 2008 . № 3. С . 299-302.
4 . Н о в и к о в И .И . Теория термической обработки металлов: Учеб . изд . 3-е, испр . и доп . М. : Металлургия . 1978 .
5 .П о п о в А .А . , П о п о в а Л . Е . Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустени-та М ; Свердловск: Машгиз, 1961
6 .Г у д р е м о н Э . Специальные стали . Изд . 2-е сокр . и перераб . 1966 . Т. 2 .
7 . Особенности структурообразования в хромомолибденовой стали при непрерывном охлаждении / В . А . Луценко, Н . И . Анелькин, Т. Н . Панфилова, Л. А . Дробышевский // Литье и металлургия . 2009 . № 3. С . 272-274.
8 Влияние термической обработки на структурные изменения в хромомолибденовой стали / В А Луценко, Т Н Голубенко, О . В . Луценко и др . // Черная металлургия. 2011. № 4 . С . 61-63 .
