CC BY
42
Ш/ ^гггг^ггг^гггг.глтггггг
/ а (53), 2009-
It is determined that in the process of soaking at subcritical temperature 680 °C in hot-rolled rolling of low-carbon steel 08 ps recrystallization is developed with heterogeneous full repeat change of the steel ferrite change by its section.
A. М. НЕСТЕРЕНКО, А. Б. СЫЧКОВ, Молдавский металлургический завод,
B. Н. ТКАЧ, Институт сверхтвердых материалов НАН Украины,
В. И. СУХОМЛИН, Днепродзержинский государственный технический университет
УДК 669.112.227.312:669.15-194.018.26:669.017
ЦИКЛИЧЕСКАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ФЕРРИТА В ГОРЯЧЕКАТАНОЙ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ СО СТРУКТУРНО-ТЕКСТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ
Известно [1, 2], что горячая прокатка полос из низкоуглеродистых сталей на непрерывных широкополосных станах (НШС) с окончанием температуры прокатки Тки ниже точки Аг3 (в частности, в межкритическом интервале температур (МКИТ): А^ < Гкп < Аг3) приводит к выраженной разнозернистости структуры феррита по их сечению. При этом зерна феррита в поверхностной зоне полос, как правило, имеют размеры, намного (на 2-3 порядка) превышающие таковые для их средней зоны [2]. В практике прокатки полос на НШС используют диаграмму, предложенную еще в 50-х годах прошлого века, которая разграничивает благоприятные и неблагоприятные с точки зрения равномерности структуры по сечению полос температурные интервалы Тки и температуры их смотки в рулоны (Тсм) [1]. Данные, приведенные в [2], свидетельствуют о том, что образование разнозернистости феррита в полосах при Гкп, соответствующих МКИТ, связано с различием текстуры по их сечению. Так, для поверхностной зоны листового проката толщиной 1,5 мм из стали 08пс характерна текстура типа <110>, которая обычно состоит из аксиальной ориентировки {110}<иусо> и ряда ограниченных ориентировок [2], с плоскостями {110}, параллельными плоскости прокатки (ПП) проката. Зерна феррита средней зоны ориентированы относительно ПП преимущественно плоскостями {100} [2], поэтому по своему типу текстура этой зоны относится к «кубической» [3]. В работе [4,5] показано, что наличие исходной текстуры определенного типа оказывает существенное влияние на рост зерна при рекристаллизации матричной фазы металлов и спла-
вов. Поэтому для описания зависимости между текстурой и ростом зерна авторами [4, 5] введен специальный термин «текстурно управляемый рост зерна». Эксперименты по рекристаллизационно-му отжигу с выдержками в МКИТ (несколько выше Aii) или в субкритическом интервале температур (СКИТ ниже Аг}) горячекатаного проката толщиной 1,5 мм из стали 08 не, полученного на НШС по режимам с Ai\< Тки < Аг3, показали, что равномерность структуры феррита по его сечению в результате отжига в общем не достигается. Это обусловлено [2] стойким наследованием ре-кристаллизованным ферритом исходной неравномерности текстуры и структуры горячекатаного проката толщиной 1,5 мм из стали 08 не. Заводской отжиг рулонов горячекатаного проката из указанной стали в колпаковой печи (нагрев до температуры СКИТ 680 °С, длительность выдержки 10 ч) в ряде случаев позволяет получить в нем сочетание прочностных свойств и пластичности (ат = 155 Н/мм2, ав - 280 Н/мм2, б4 - 46%), характерное для особонизкоуглеродистых (0,0020,008% С) микролегированных IF-сталей, отличающихся сверхвысокой штампуемостью [6]. Однако наличие крупнозернистой структуры феррита в поверхностной зоне делает невозможным использование отожженного горячекатаного проката из стали 08 пс с указанным особо благоприятным комплексом свойств для операций штамповки из-за образования на поверхности отштампованных деталей неисправимого поверхностного дефекта типа «апельсиновая корка».
В последние годы проблеме производства горячекатаного проката толщиной 0,8-1,5 мм из
ЛГГТТг^ГГ ГСГЗГШТТТО!
■4 (53). 2009
/111
низкоуглеродистых сталей уделяется большое внимание в связи с перспективностью замены им более дорогого по стоимости холоднокатаного проката той же толщины [2, 7]. Поэтому исследования и практические разработки, выполняемые в этом направлении, являются актуальными.
Исследовали горячекатаный прокат толщиной 1,5 мм из стали 08 пс (0,06% С; 0,24% Мп; 0,01% Si; 0,01% А1; остальные элементы-следы), произведенный на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки (НШСГП) 1680 ОАО «Запорож-сталь», образцы которого размером 1,5x5x300 мм по определенным температурно-деформационным режимам прокатывали на лабораторном стане дуо 280. Температура нагрева под прокатку - 1000 °С. Подстуживание образцов перед прокаткой осуществляли таким образом, чтобы обеспечивалась реализация двух температур: Ткп = 750 и 700 °С, соответствующих аустенито-ферритной (МКИТ) и ферритной (СКИТ) областям прокатки. Обжатие при прокатке 8 = 13,3%. С целью имитации Тсм охлаждение образцов после прокатки осуществляли в муфельной печи, исходная температура
которой составляла 600 °С. Рекристаллизацион-ный отжиг образцов проката с указанными Ткп проводили при температуре 680 °С с длительностями выдержек 10, 20, 30, 40 мин, 1, 2, 3, 4, 5,6 ч.
Микроструктурный анализ образцов исследованной стали после горячей прокатки по указанным режимам с Гкп = 750 и 700 °С показал наличие достаточно выраженной разнозернистой структуры феррита по их сечению (рис. 1, а, 2). При исследовании зависимости зеренной структуры феррита по сечению образцов с указанными Тки от длительности выдержки при отжиге установлен циклический характер ее изменения в процессе рекристаллизации. Из рис. 2 следует, что в образцах проката с Гкп = 700 и 750 °С наблюдаются соответственно три и два цикла перетрансформирования структуры феррита по сечению образцов из разнозернистой в равномерную и наоборот. Проведенные исследования позволили детально проанализировать особенности изменения структуры феррита в каждом из циклов. Так, например, в образцах проката с Тки = 700 °С в ходе
Рис, 1. Микроструктура по сечению исходной (а) и отожженной при температуре 680 °С с длительностью выдержки 30 мин (б), 40 мин (в) и 2 ч (г) горячекатаной листовой низкоуглеродистой стали, полученной при Гкп =700 °С.хЮ0
Ш/ гш^ гг
/ а (53). 2009-
300
S3 200
100
с. о.,
200
>я я
100
2 Г Ж/ 3 3' i 1 ——О* \ /
ш V
Vi
1
0 J 2 3 4 5 6 Длительность выдержки пои отжиге, ч
Рис. 2. Изменение среднего диаметра зерен феррита в зависимости от длительности выдержки при отжиге. Гкп =700 (а) и 750 °С (б). Цифрами без штрихов и со штрихами обозначены длительности выдержек, при которых формируются разнозернистые и равномерные структуры феррита соответственно. оД - поверхность исследованных образцов;
•А - средняя зона исследованных образцов
1-го цикла при выдержках 10 и 20 мин разнозер-ниетоеть феррита по сечению проката усиливается (рис. 1, а), что связано в основном с развитием вторичной рекристаллизации в феррите поверхностного слоя этого проката. При выдержке 30 мин образуется равномерная ферритная структура по сечению проката (рис. 1, б, 2, а). Это обусловлено тем, что конкретно при этой длительности выдержки вторичная рекристаллизация феррита осуществилась уже и в средних по сечению слоях проката. На 2-м цикле (выдержка 40 мин) вновь возникает разнозернистость ферритной структуры (рис. 1, в, 2, а\ которая сохраняется и при выдержке 1 ч. Дальнейшее увеличение длительности выдержки до 2 ч в ходе этого же 2-го цикла приводит к формированию по всему сечению проката структуры с равномерным ферритным зерном (рис. 1, г, 2, а).
Результаты текстурного анализа свидетельствуют о том, что выраженное различие типов текстур по сечению исследованного горячекатаного проката, полученного на НШСГП 1680 с Гкп = 700 °С (текстура типа <110> в поверхностной зоне и <100> - <111> в серединной), сохраняется при отжиге с температурой 680 °С до выдержки длительностью 5 ч. После выдержки длительностью 6 ч феррит по сечению проката полностью детек-стурован, а его зеренная структура по сечению -равномерная (рис. 2).
Проведенные нами исследования показали, что разнозернистость по сечению проката в основном определяется ускоренным ростом зерен феррита в поверхностной зоне. Учитывая положения,
изложенные в [3-5, 8, 9] и результаты настоящего исследования, ускоренный рост зерен феррита в поверхностной зоне исследованных образцов проката в ходе отжига при температуре 680 °С можно объяснить сочетанием следующих факторов:
• прямым наследованием рекристаллизован-ной ферритной структурой образовавшихся при горячей тонколистовой прокатке в поверхностной и средней зонах образцов выраженных текстур разного типа соответственно <110> и <100>;
• наличием в поверхностных слоях специальных высокоподвижных границ полигонального типа с низкой плотностью дефектов между «старыми» и «новыми» зернами феррита при вторичной рекристаллизации, ориентация между которыми отвечает соотношениям Кронберга-Виль-сона;
• наиболее низким уровнем поверхностной энергии плоскостей {110} ОЦК решетки феррита в сравнении с другими низкоиндексными ее плоскостями {111} и {100} (а{110}= 1,3-10~4 Дж/см2 против оШц= 1,5-10 4 и ом001= 1,610-4 Дж/см2);
• близкой к критической в аспекте спонтанного роста ферритного зерна степени обжатия (в = 13,3%), использованной при прокатке исследованных образцов листового горячекатаного проката из стали 08 пс в ходе проведения экспериментов.
Проведенный в настоящей работе анализ позволяет утверждать, что впервые установленная цикличность рекристаллизации горячекатаной листовой низкоуглеродистой стали в ходе выдержки при субкритической (680 °С) температуре связана не только с перечисленными факторами, но и с особенностями развития и механизмов таких ее стадий, как собирательная и вторичной рекристаллизация. Согласно [3-5, 8, 9], движущей силой собирательной и вторичной рекристаллизации в металлах является снижение свободной энергии в результате уменьшения протяженности межзеренных границ. При этом утверждается, что увеличение размеров зерен осуществляется по механизмам, предусматривающим преимущественный рост крупных зерен за счет более мелких путем миграции границ зерен (субзерен). Детальный анализ образцов отожженного листового проката из исследованной стали, проведенный методами оптической и растровой электронной микроскопии (микроскоп EVO-55 с энергодисперсионной приставкой INKA ENERDGY 350 - разработка фирмы «Карл Цейсс», Германия), показал наличие многочисленных дисперсных (0,3-1,5 мкм) включений цементита, распределяющихся в мелкозернистой структуре серединных зон, в основ-
/хтг^ г: гсщ-ллтнтггг
'4 (53). 2009
/113
ном, по межзеренным границам, а в крупнозернистой структуре поверхностных зон - преимущественно по субграницам внутри ферритных зерен. Учитывая, что существенное перетрансформати-рование структуры в образцах исследованной стали осуществляется уже при незначительных по длительности выдержках при отжиге (см. рис. 1) в нашем случае из-за блокирования межзеренных и субзеренных границ микровыделениями цементита реализация миграционных механизмов при росте зерен феррита и их последующем делении на мелкие в ходе развития циклической рекристаллизации представляется невозможной. Более реальными являются механизмы роста, осуществляемые [9] коалесценцией зерен (субзерен) и их группировок путем взаимных кристаллографических вращений и поворотов на небольшие углы с аннигиляцией межзеренных и субзеренных границ между ними.
Выраженное исходное различие размеров зерен феррита и текстуры по сечению, а также особенности структурных изменений исследованных образцов листового проката в процессе отжига приводят к реализации трех факторов, вызывающих возникновение систем упругих микронапряжений, которые дестабилизируют равномерное развитие рекристаллизации феррита при отжиге, и являются, таким образом, составляющими движущей силы процесса циклической рекристаллизации. В плане развития различающихся по уровню микронапряжений в поверхностном и серединной зонах исследованного проката непосредственно в процессе отжига влияние первого фактора
обусловлено затруднением взаимной аккомодации крупных зерен феррита в поверхностном слое по мере увеличения их размеров в процессе развития вторичной рекристаллизации (причины ускоренного роста зерен феррита в поверхностном слое указаны выше), а второго - существенным различием кристаллографических ориента-ций и дислокационного строения по линиям раздела поверхностных и серединных зон листового проката из исследованной стали.
Для обоснования третьего фактора на микроскопе EVO-55 с помощью приставки Nordlys II EBSD фирмы «Oxford Instruments» (Великобритания) проведен анализ напряженного состояния в поверхностных и серединных зонах листового проката из исследованной стали. При определении уровня микронапряжений действие указанной приставки основано на анализе уширения Кикучи-линий, образующихся при пошаговой сканирующей дифракции пучка электронов на выбранных участках структуры сталей и сплавов (HKL EBSD - Technology). Приведенные на рис. 3 данные по распределению участков локальных микронапряжений показывают, что в случае выдержки длительностью 1 ч при температуре 680 °С их уровень в серединной зоне является более высоким, чем в поверхностной (количество участков с микронапряжениями в серединной зоне в 4,26 раза с учетом различия площадей сканирования превышает количество таковых в поверхностной). Анализом, проведенным с помощью энергодисперсионного микрозонда, установлено, что участки с микронапряжениями имеют
а б
Рис. 3. Общий вид и характер распределения участков с микронапряжениями в поверхностной (а) и серединной (б) зонах горячекатаного проката из исследованной стали с Гкп = 700 °С после отжига при температуре 680 °С с длительностью выдержки 1ч .а - х70; б - х210
Ш/ лгтгг-г: г:
I 4 (53), 2009-
Оценочные данные по содержанию углерода, основных легирующих элементов и примесей в участках с микронапряжениями и в общем объеме металла серединной зоны образца горячекатаного листового проката с Гкп = 700 °С после отжига при температуре 680 °С (выдержка длительностью 1 ч)
Участок анализа Массовая доля элементов, %
С Мп Б Р N1 Ре
С микронапряжениями - 1 3,14 15,50 9,39 0,02 0,02 71,91
С микронапряжениями - 2 2,19 6,85 3,74 0,00 0,07 87,12
Общий объем металла - 1 1,24 0,38 0,02 0,09 0,00 98,27
Общий объем металла - 2 1,39 0,30 0,00 0,07 0,00 98,05
повышенное содержание углерода, марганца и серы (см. таблицу). Поскольку даже при больших увеличениях растрового микроскопа какие-либо микрочастицы в указанных участках не выявляются, можно утверждать, что наблюдаемая повышенная концентрация углерода, марганца и серы и возникновение участков с микронапряжениями обусловлены образованием когерентно связанных с матрицей стали предвыделений цементита и сульфида марганца. Отмеченное выше различие текстуры и дислокационного строения феррита поверхностной и серединной зон исследованного проката в ходе выдержки при отжиге приводит к неадекватной кинетике повторяющихся процессов образования и растворения указанных предвыделений и сформировавшихся из них микрочастиц в этих зонах. Наблюдаемое фактическое различие суммарного уровня микронапряжений в поверхностной и серединной зонах исследованного горячекатаного проката, обусловленное последовательным чередованием при отжиге этапов образования и растворения указанных предвыделений и микрочастиц, является, тем самым, третьим дополнительным фактором, в немалой степени способствующим перетрансформатированию феррит-ной структуры стали в конкретном цикле и развитию циклической рекристаллизации в целом.
Сформировавшаяся в результате указанных причин в объемах поверхностных и средних слоев образцов исследованной стали при отжиге система микронапряжений инициирует процессы деления образовавшихся крупных зерен (субзерен) на мелкие (этот процесс активируется незна-
чительной разориентацией субзерен в пределах каждого крупного зерна) по границам бывших субзерен, декорированных микровыделениями цементита, и приводит, таким образом, к повторному развитию стадий первичной, собирательной, а затем и вторичной рекристаллизации в каждом цикле развивающейся при отжиге циклической рекристаллизации.
Проведенные нами исследования показали, что различие структуры и текстуры в горячекатаном тонколистовом (1,5 мм) прокате из низкоуглеродистых сталей, произведенном на НШСГП 1680 ОАО «Запорожсталь», является достаточно выраженным. Более того, как отмечалось выше, отжиг в колпаковых печах при температурах 680-700 °С приводит к формированию в поверхностных и средних по сечению слоях этого проката разнотипной текстуры и недопустимого по величине (на 2-3 порядка) размерного различия зерен феррита.
Для предотвращения образования существенно различающихся типов текстур и размеров фер-ритных зерен по сечению в горячекатаном тонколистовом прокате из низкоуглеродистых сталей на основании результатов проведенного исследования составлены рекомендации по корректировке режимов деформационно-термической обработки тонких полос на НШСГП 1680 ОАО «Запорожсталь» и на близком к нему по конструкции НШСГП 1700 ОАО «МК им. Ильича» (г. Мариуполь).
Выводы
1. Впервые установлено, что в горячекатаном тонколистовом (1,5 мм) прокате из низкоуглеродистой стали 08 пс с различающимися по сечению параметрами исходной текстуры и феррит-ной структуры рекристаллизация в процессе отжига при температуре 680 °С осуществляется с неоднократным повторным полным перетранс-форматированием исходной неравномерной фер-ритной структуры в равномерную и наоборот, что позволяет классифицировать ее как циклическую.
2. Определены механизмы структурных изменений в процессе отжига в горячекатаном прокате из исследованной стали в ходе развития как отдельного рекристаллизационного цикла, так и в целом при циклической рекристаллизации.
Литература
1.Литвиненко Д. А. Холоднокатаная нестареющая сталь. М.: Металлургия, 1968.
2. Нестеренко А. М. Левченко Г.В., Янковский А. В. Особенности рекристаллизации феррита низкоуглеродистой горячекатаной стали при отжиге // Теория и практика металлургии. 2003. № 1. С. 54-59.
ГШ:Г: гг ГЛ^ГПГ,ГЛГГГГГТ /11R
-4(59).2009 / IIU
3. Вассерман Г., Гревен И. Текстуры металлических материалов. М.: Металлургия, 1969.
4. Abbruzzese G., Lucke К. A theory of texture controlled grain growth. I. Derivation and general discussion of the model // Acta Metallurgica. 1986. Vol. 34. N 5. P. 905 -914.
5. Eichelkraut H., Abbruzzese G., Lucke K. A theory of texture controlled grain growth. II. Numerikal and analytical treatment of grain growth in the presence of texture components. // Acta Metallurgica. 1988. Vol. 36. N 1. P. 55-68.
6. Кулька X., Хайстеркампф Ф. Уровень развития и применения сталей IF // Черные металлы. 1990. № 9. С. 24-28.
7. Новейшая технология производства горячекатаной полосы / В. Бальд, Г. Кнеппе, Д. Розендаль, П. Задау // Черные металлы. 2000. № 2. С. 36-44.
8. Г о р е л и к С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978.
9. М а з у р В. И., М а з у р А. В. Особенности вторичной и собирательной рекристаллизации электротехнической стали // Теория и практика металлургии. 2007. № 1. С. 42-47.
