CC BY
108
формации при редуцировании.
При редуцировании с относительной степенью деформации д=7% критическая екр степень относительной деформации при осадке составляет 3°%, д=10%о - екр=6%, q=20°% - е*р=12%, и при q=30°% -е^=14%.
На приведенных рисунках отчётливо видно, что все кривые упрочнения после проявления эффекта Баушингера сливаются с кривой по-
вышения твёрдости НУ 5/10, полученной при осадке отожжённого металла (кривая 0). Все кривые выходят на уровень твёрдости НУ 5/10=2100 МПа.
Полученные зависимости позволяют исследовать напряжённое состояние центральных слоёв образцов, предварительно сжатых, а затем подвергнутых редуцированию.
УДК 621.771
А.Б. Сычков, М.А. Жигарев, А.В. Перчаткин
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АРМАТУРНЫЙ ПРОКАТ ИЗ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
На СЗАО ММЗ производство высокопрочного арматурного проката из экономных низколегированных сталей методом термомеханического упрочнения освоено с 1986 года. Этот вид арма-турной продукции используется для производства предварительно напряженного бетона. В качестве напрягаемой арматуры используют материалы с пределом текучести от 800 до 2000 Н/мм2. Распространению применения предварительно напряженного бетона в строительстве способствуют тевденции современной абстрактной архитектуры. В настоящее время в большинстве конструкций увеличение использования предва-ригельно напряженного бетона дает новую степень свободы для любой концепции формы, которая прежде рассматривалась как неэкономичная или неосуществимая, или чрезмерно массивная, чтобы воспринимать нагрузки. Криволинейные фермы привели к совершенно новым понятиям в архитектуре. Использование предварительно напряженного железобетона может рассматриваться как способ создания водоотталкивающих плоских покрытий без применения обыкновенно -го водоотталкивающего битума, при том, что бе-тон в этом случае выдерживает продолжительное сжатие, сопротивляется образованию трещин, которые чаще всего и приводят к проникновению воды с течением длительного времени
Существуют две основные технологии пред -напряжения арматуры: «на упоры», когда усилие преднапряжения передается на затвердевший бетон за счет сцепления или дополнительных промежуточных анкеров, и «на бетон», когда натяжение арматуры в каналах или пазах изделий осуществляется непосредственно на бетон с постоянной анкеровкой ее по торцам изделий. В странах СНГ применяется, как правило, натя-
жение «на упоры», так как эта технология проще и дешевле.
Следует отметить, что за рубежом высокопрочная напрягаемая арматура, аналог арматуры классов прочности Ат800/Ат 1000 по ГОСТ 10884, производится преимущественно из высокоуглеродистых марок. При этом высокопрочная арматурная сталь диаметром 6-16 мм выпускается в основном в виде термически упрочненной прово-лочной арматуры в бунтах, основной же сорта -мент напрягаемой стержневой арматурной стали составляют прутки диаметром 20-40 мм. Основным ввдом напрягаемой стержневой арматуры в Западной Европе, США, Канаде, Бразилии яв-ляются стержни диаметром 26-40 мм класса прочности 835/1030 и 26-36 мм класса прочности 1080/1230 (DIN 4227, JIS J3109, EN 10138, CAN CSA 6279, ASTM A 422, BS 4486 и др.). Это объясняется тем, что в этих странах высокопрочная стержневая арматура используется при натяжении «на бетон» и главной задачей ее применения явля-ется возможность получения наибольшего агрегатного усилия преднапряжения при высокой сте -пени надежности и долговечности [1, 2]. При этом технология упрочнения арматуры различна: это и термомеханическое упрочнение в потоке; закалка с отпуском с отдельного нагрева; упрочнение механической вытяжкой с низкотемпературным отпуском горячекатаной арматуры.
Таким образом, освоение арматурного проката по требованиям EN 10138 - это выход на мировой рынок напрягаемой арматуры.
В Советском Союзе арматурный прокат вышеуказанных классов прочности производился методом как термомеханического упрочнения из среднеуглеродистых низколегированных марганец-, кремний- и борсодержащих сталей: 20ГС,
28С, 25Г2С; 22С; 35ГС; 20ГС2; 25С2Р, 10ГС2, 08Г2С по ГОСТ 10884, так и горячекатаных углеродистых легированных сталей: 23Х2Г2Т;
22Х2Г2АЮ; 22Х2Г2Р; 20ХГ2СР по ГОСТ 5781.
На СЗАО ММЗ производство высокопрочного арматурного проката методом термомеханического упрочнения на марках стали 25Г2С (Ат600) и 20ГС (Ат800) освоено с 1986 года [3]. Повышенная склонность к наводораживанию вынудила совершить переход на экономно-легированную флокено-нечувствигельную марку 28С, которая имеет и собственные недостатки: отношение марганца к кремнию меньше 1, что обусловливает повышенное шлакооборазование при разливке; повышенное содержание углерода, что вызывает чувствительность к малейшим изменениям техно -логического процесса, т.е. колебанию температуры самоотпуска т.д. Проводились исследования по замене этой марки стали на марку стали типа 27 ГС как более технологичную при разливке, но, к сожалению, эта марка неэффективна с точки зрения термоупрочнения и обеспечения требуе-мых характеристик. Кроме проблем с разливаемо-стью стали, данные марки стали легируются дорогими ферросплавами, что повышает их себестоимость . Для низколегированных термомеханически упрочняемых сталей характерны следующие негативные явления.
На день прокатки механические свойства стали не имеют истинного значения, что имеет следующие причины:
а) присутствие в структуре стали после термоупрочнения остаточного аустенига. Так как термоупрочнение начинается с температуры 1020...1050°С, которая соответствует структурному состоянию однородного аустенига, при быстром охлаждении часть аустенига не успевает превратиться в структуры перлитного ряда (тро-остиг, сорбит, перлит) и остается в ввде неравновесных перенасыщенных углеродом зерен, которые стремятся к распаду на феррит и цементит. При комнатных температурах этот процесс (диффузионный) требует для своего завершения 72 ч [4]. Механические свойства при этом повышаются (и прочностные, и пластические).
б) присутствие в структуре термоупрочненного металла значительного количества водорода. Из ранее проведенных исследований и экспериментов известно [3], что содержание водорода в НЛЗ производства ММЗ колеблется от 7 до 20 p. p.m. Вследствие высокой напряженности структуры металла диффузионная подвижность водорода в термически упрочненной стали в 2.3 раза ниже, чем в горячекатаной. Поэтому десорбция водорода из термически упрочненных стерж-
ней вдет медленнее. С увеличением начального содержания водорода и степени упрочнения количество остаточного водорода увеличивается до содержаний, равных содержанию водорода в НЛЗ. Характерно увеличение количества остаточного водорода с ростом прочности металла: чем выше уровень прочности, тем позже заканчивается выделение водорода [4]. Кроме того, легирование стали марганцем увеличивает количество водородных ловушек в стали.
В тех случаях, когда растягивающие структурные напряжения, связанные с превращениями аустенига в мартенсит, бейниг или троостиг, совпадают с температурными напряжениями, воз -можно появление микротрещин на арматуре, которые при эксплуатации могут развиться в транзитные и привести к разрушению арматуры в бетонной конструкции. При интенсивном переу-прочнении стали появление трещин возможно непосредственно в процессе порезки проката на мерные длины, когда на вышеописанное напря-женное состояние накладываются напряжения смятия от ножей.
Использование новых марок стали для производства высокопрочной арматуры может ре -шить часть технологических проблем, а также позволит реализовать отсортированный от ос -новных поставок в ввде катанки высокоуглеродистый металл.
Исследования проводились на металле с различным химическим составом - от стали марки 50 до стали 85. Химический состав плавок представлен в табл. 1.
Была проведена опытная прокатка вышеуказанных марок стали. Размеры арматурного проката, режимы охлаждения и полученные механические свойства представлены в табл. 2.
При термомеханической обработке проката в потоке стана на линии «усовершенствованный Тегшех» [3] грубую настройку режима охлажде-ния ввели при помощи количества секций охла-ждения и давления воды в них, а тонкую настройку режима охлаждения осуществляли при помощи изменения скорости прокатки. В ряде случаев, при достижении «критических» температур для конкретной марки стали, прокат рассыпался на роль-
Таблица 1
Химический состав опытных плавок
Плавка Марка С Mn Si Cr Ni Cu
1 55 0,57 0,56 0,19 0,03 0,07 0,12
2 70 0,71 0,52 0,19 0,06 0,10 0,17
3 80 0,80 0,56 0,16 0,05 0,06 0,08
4 85 0,88 0,54 0,15 0,06 0,08 0,12
ганге, не доходя до холодильника. Например, при прокатке стали марки 85 в № 12 температура металла на холодильнике варьировалась от 380 до 450°С, при этом ни один из раскатов, произведенный по четырем режимам не дошел до холодиль-ника. Отдельные штанги, которые все же пришли на холодильник, разрушались уже при незначи-
Режим охлаждения и
тельной изгибающей нагрузке.
Из анализа результатов, представленных в табл. 2, можно отметить следующее.
1. Арматурный прокат в основном соответствует требованиям ГОСТ 10884 к классу прочности Ат 800, а в ряде случаев и Ат 1000. Имеются пред -посылки к получению класса прочности Ат 1200.
Таблица 2
■ свойства арматурного проката
Диа- метр Температура самоотпуска, °С Режим испытаний1 М еханические характеристики2
Ст В, Н/мм2 Ст0,2, Н/мм2 СТ 0,02, Н/мм2 СТ0,02/СТ0,2 8ю, % 8р, % Изгиб3
Сталь типа 55
370 До/после Разр/1288 Разр/1202 Разр/1003 Разр/0,83 Разр/2,9 Разр/0,7 -/-
14 380 До/после 1323/1261 1157/1123 920/953 0,80/0,89 3,3/11,4 0,6/3,4 -/+
400 До/после 1184/1198 1039/1041 854/963 0,82/0,87 11,0/13,1 2,6/3,9 +/+
410 До/после 1079/1164 1024/1024 936/936 0,91/0,91 1,4/11,9 0,5/3,4 -/+
400 До/после 1135/1132 902/874 736/760 0,82/0,87 7,0/6,8 5,0/5,6 +/+
20 420 До/после 1064/1083 872/879 769/764 0,88/0,87 5,6/8,3 4,8/5,4 +/+
490 До/после 1054/1056 837/828 744/742 0,89/0,90 6,1/7,5 5,0/5,6 +/+
570 До/после 972/958 739/728 688/676 0,93/0,93 5,2/11,5 5,6/8,0 +/+
Сталь типа 70
390 До/после Разр/1560 Разр/1378 Разр/1049 Разр/0,76 Разр/6,4 Разр/2,0 -/+
10 400 До/после 1275/1266 1099/1112 1058/1072 0,96/0,96 14,6/14,0 4,4/4,0 +/+
420 До/после 1158/1172 956/978 934/961 0,98/0,97 14,4/15,0 4,4/4,0 +/+
440 До/после 1065/1064 820/818 812/814 0,99/1,00 16,0/16,0 6,6/6,0 +/+
380 До/после 1248/1227 1096/1154 1069/1050 0,98/0,91 12,0/1,7 3,2/0,4 +/-
12 400 До/после 1196/1194 1019/1022 951/959 0,93/0,94 13,5/12,1 3,8/3,4 +/+
450 До/после 1031/1022 791/793 623/783 0,79/0,99 15,3/14,3 6,6/6,8 +/+
1А 390 До/после 1268/1381 1225/1272 1151/1230 0,94/0,97 1,7/8,9 0,2/2,2 -/-
420 До/после 1149/1153 951/968 929/947 0,98/0,98 12,9/13,4 5,0/4,6 +/+
390 До/после 1239/1258 1142/1121 1100/1087 0,96/0,97 1,9/11,3 1,0/4,0 -/+
16 410 До/после 1141/1136 954/960 917/929 0,96/0,97 11,5/12,5 4,0/4,0 +/+
420 До/после 1054/1052 841/841 814/812 0,97/0,97 13,5/14,3 6,0/4,4 +/+
20 400 До/после 1114/1132 859/874 736/760 0,86/0,87 5,6/6,8 4,6/5,6 +/+
410 До/после 1116/1130 872/877 749/794 0,86/0,91 7,48,5 4,8/5,4 +/+
Сталь типа 80
12 370 До/после 1153/1155 858/855 802/806 0,93/0,94 9,5/9,8 6,8/7,2 +/+
450 До/после 1350/1254 1150/1051 990/995 0,86/0,95 5,97,4 2,2/4,0 +/+
480 До/после 1147/1133 881/866 862/847 0,98/0,98 10,6/12,5 8,0/9,6 -/+
16 490 До/после 1147/1129 877/864 856/862 0,98/1,00 10,1/11,1 6,8/8,0 +/+
590 До/после 1139/1126 867/847 849/836 0,98/0,99 11,4/14,4 6,2/9,0 +/+
Сталь типа 85
600 До/после 1195/1193 900/898 893/892 0,99/0,99 11,4/11,8 7,0/6,9 +/+
14 630 До/после 1169/1159 868/859 858/845 0,99/0,98 11,9/12,1 6,6/7,0 +/+
650 До/после 1120/1116 813/811 802/788 0,99/0,97 11,7/11,9 7,6/6,0 +/+
410 До/после 1147/1318 1040/1063 966/962 0,93/0,90 1,9/6,3 0,4/3,0 -/+
16 460 До/после 1184/1182 903/897 869/856 0,96/0,95 6,3/10,0 4,0/6,0 -/+
570 До/после 1192/1194 892/891 876/874 0,98/0,98 10,0/9,5 7,0/6,0 +/+
620 До/после 1170/1173 879/870 857/856 0,97/0,98 5,0/11,3 3,0/6,0 +/+
1 До/после - механические испытания до и после элетронагрева (температура электронагрева задается в ГОСТЮ884 в зависимости от классаарматурного проката).
2 Разр. - хрупкое разрушение образца.
3 -/+ - образец не выдержал/выдержал испытание на изгиб.
Таблица 3
Значения температуры самоотпуска при упрочнении высокоуглеродистой арматуры на классы прочности
Ат 800/Ат 1000, °С
Примечания:
1. Выделенным щэифтом указан прогнозируемый режим охлаждения на основе опытной прокатки, обычным шрифтом указан подтвержденныйрежим охлаждения.
2. В числит еле указана температура самоотпускадля получения класса прочности Ат 800, а в знаменателе - Ат 1000.
2. Высокоуглеродистые стали очень трещи-ночувствигельны, для каждой марки существует свой «критический) диапазон температуры самоотпуска , охлаждение ниже которого приводит к растрескиванию проката; особенно это относится к мелким диаметрам проката - 10 и 12 мм (для марки 70 - не ниже 385°С; для марки 80 -не ниже 400°С; для марки 85 - не ниже 450°С).
3. Пластические характеристики высокопрочного арматурного проката из высокоуглеродистых марок, так же как и из низколегированных среднеуглеродистых марок типа 28 С, в ряде случаев не соответствуют требованиям НТД, но после вылежки, время которой определяется степенью переупрочнения, пластические характеристики достигают требуемых НД значений. Это объясняется релаксацией структурных напряжений, а также выделением водорода.
4. В ряде случаев, при интенсивном переу-прочнении, металл не показывал своих истинных прочностных характеристик на момент прокатки (разрыв образца при растяжении происходит в упругой части диаграммы). Это особенно заметно на сталях с высоким содержанием углерода, когда прочностные свойства при температурах самоотпуска ниже 400°С меньше, чем при температурах более 420°С, что связано с очень высоким напряженным состоянием структуры. После электронагрева механические свойства возрастают за счет стабилизации микроструктуры и релаксации напряжений В ряде случаев прочностные свойства после электронагрева падают, что связано с разупрочнением проката в результате похождения отпускных процессов.
5. На основании опытной прокатки различ-ных марок стали в различных профилеразмерах в табл. 3 рекомевдованы диапазоны для темпера-
тур охлаждения металла для получения классов прочности Ат800/Ат 1000. Как видно из табл. 3, с увеличением содержания углерода увеличивается температура самоотпуска металла - уменьшается степень переохлаждения проката. Кроме того, растет диапазон температур для получения соответствующих классов прочности: например, для стали марки 55 и 70 разница в температурах самоотпуска для получения обоих классов проч-ности достигает 20°С, для стали марки 80 -50°С, а для стали марки 85 - 170°С. Это объясняется, с одной стороны, снижением критиче-ской скорости охлаждения, т.е. для получения закалочных структур необходима меньшая интенсивность охлаждения; с другой стороны, высокое содержание углерода очень чувствительно к величине переохлаждения (переохлаждение приводит к снижению прочностных характеристик, которые восстанавливаются только после вылежки проката за счет механизмов стабилизации структуры и старения).
Металлографические исследования показали, что микроструктура состоит из сорбита (сталь 70 и 80) и троостига отпуска (сталь 85) на поверхности, промежуточных продуктов отпуска зака-лочных структур в переходном слое и сорбита в сердцевине поперечного сечения. Микроструктура арматурного проката, произведенного из стали марки 28С, имеет аналогичное строение, кроме структуры сердцевины. Сердцевина сталей марок 28С состоит из троостига, а из высокоуглеродистых сталей - сорбита, несмотря на высокое содержание углерода. Это показывает, что для получения требуемых механических свойств высокоуглеродистый металл не надо переохлаждать с такой же величиной, как для марок типа 28С.
Выводы
Производство предварительно напрягаемой высокопрочной арматуры из высокоуглеродистых марок сталей возможно. При этом термоупрочненный прокат полностью соответствует требованиям НД. Технология термомеханиче -ского упрочнения арматуры из стали марок 50.85 аналогична таковой для марки 28С, используемой в настоящий момент на СЗАО ММЗ для производства арматурного проката классов прочности Ат800/Ат 1000. С увеличением содержания в стали углерода температура самоотпуска и ее оптимальный диапазон увеличивают -ся. Прокат из высокоуглеродистых марок стали очень трещиночувствигелен к переохлаждению, а поэтому при производстве данного ввда продукции необходим жесткий контроль за соблюдением технологического процесса.
Номинальный диаметр проката Маркастали
55 70 80 85
№ 10 410/390 420/400 510/460 650/480
№ 12 400/380 410/390 500/450 640/460
№ 14 400/380 410/390 500/450 630/460
№ 16 400/380 410/390 490/430 620/440
№ 20 390/370 400/380 480/420 570/430
Библиографическим список
1. М адатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М.: Воентехнолит, 2000. 256 с.
2. Высокопрочная арматурная сталь/ Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В., Мадатян С.А., ИвченкоА.В. М.: Металлур-
гия, 1986. 272 с.
3. Термомеханическая обработка проката из непрерывно-литой заготовки малого сечения / Парусов В.В., Белитченко А.К., Богданов А.Н., Сычков А.Б., Нестеренко А.М., Парусов О.В. Запорожье: ЗГУ, 2000. 142 с.
4. Заика В.И., Кащенко Ю.А., Брехаря Г.П. Водород в промышленных сталях. Запорожье: ЗГУ, 1998. 192 с.
УДК 621.778
А.Г. Корчунов, КГ. Пивоварова, В.В. Андреев, С.М. Вершигора, В.П. Рудаков
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА КАЛИБРОВАННОГО МЕТАЛЛА СО СПЕЦИАЛЬНОЙ
ОТДЕЛКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Современный рынок машиностроительных технологий постоянно повышает требования к калиброванному металлу по точности размеров профиля и качеству поверхности при гарантированном уровне механических свойств.
Данная тенденция обусловлена постоянным обновлением основных фовдов российских пред -приятий, разработкой и производством все более сложных деталей, машин и агрегатов, успешным развитием совместных с иностранными произво-дителями производств. Повышенным спросом на отечественном рынке пользуется калиброванный металл со специальной отделкой поверхности по ГОСТ 14955 с высокой точностью размеров профиля . Этот вид продукции метизной отрасли ис -пользуется на автозаводах при изготовлении деталей силовых агрегатов, элементов передней подвески, рулевого управления.
Специальная отделка поверхности металла заключается в удалении дефектов металлургического происхождения и обезуглероженного слоя с поверхности подката, что достигается шлифованием или использованием резцовой обработки -обточки Значительным преимуществом последней является то, что образовавшуюся при обра-ботке стружку можно полностью возвращать в технологический цикл и использовать для вы -плавки этой же марки стали, а пыль после шлифования практически неприменима. На отечественных предприятиях широко используется обточка, осуществляемая на автоматических линиях [1-4]. После такой обработки на поверхности металла остаются риски от резца, имеющие определенную ориентацию в окружном направлении, которые могут достигать глубины до 0,05 мм [5]. Для дета -лей машин, работающих при знакопеременных нагрузках, такое качество поверхности недопустимо. Поэтому обточенный металл на метизных
заводах подвергают дополнительной обработке, повышающей степень отделки поверхности и точ -ность размеров профиля.
Известно более 10 технологических схем производства калиброванного металла из сортового подката с использованием обточки как финишной операции или в комбинации с волочением , обкаткой в роликах и обработкой в правиль -но-полировальных машинах.
В настоящей работе приводятся результаты исследований влияния вариантов технологиче-ского передела на механические свойства, качество поверхности и точность размеров калиброванного металла, изготовленного с применением обточки и последующего волочения.
Калиброванный металл изготавливали из сталей 20Г2Р, 40С2А в условиях ОАО «Магнитогорский калибровочный завод». Термообработку бунтового подката осуществляли в колпаковых печах без применения защитных атмосфер. Специальная отделка поверхности достигалась обточкой подката на стане «Кизерлинг» по схеме из бунта в бунт. После традиционных операций подготовки поверхности металла к волочению калибрование обточенного металла осуществляли на линиях «Шумаг», оснащенных устройствами резки на мерные длины и правки-полирования.
Одна из задач исследования заключалась в установлении рациональных режимов обточки и оценке влияния этой операции на механиче-ские свойства металла.
В работе [5] минимальную толщину снимае-мого слоя при обточке рекомевдуют определять по приближенному выражению а = 0, \у[ё , где й - диаметр калиброванного металла. На практике толщина снимаемого слоя при обточке может достигать значительно больших значений в за -
