автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование структуры и свойств катанки для повышения ее пластичности при производстве сварочной проволоки

Перчаткин Андрей Владимирович

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КАТАНКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ

Специальность 05.16.01 -Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

2 ОЕВ ¿й',2

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2012

005008819

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». .

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мальцева Людмила Алексеевна

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург.

Защита состоится 21.02.2012 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова» по адресу: 455000,

г. Магнитогорск, пр. Ленина 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «/^» ¿V 2012 г.

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Завалшцин Александр Николаевич

кандидат технических наук Соколов Александр Алексеевич

\

Ученый секретарь диссертационного совета

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в странах ЕС и СНГ возросла потребность в сварочной проволоке из сталей, легированных марганцем, кремнием, молибденом, никелем, хромом, ванадием и другими элементами, которая применяется для сварки труб большого диаметра нефтегазового сортамента, судовой стали и т.п.

В катанке, используемой для волочения проволоки из таких сложнолегированных сталей, произведенной по существующей технологии, формируется многокомпонентная структура, содержащая ферритную, перлитную, бейнитную и мартенситную составляющие. Образование бейнитно-мартенситных участков в структуре, связанное со стабилизирующим действием на аустенит легирующих элементов и неоднородностью их распределения из-за ликвационных процессов, требует проведения на метизном переделе одной-двух операций рекристаллизационного отжига катанки и/или проволоки для снятия наклепа и безобрывного волочения. Дополнительная термическая обработка в значительной степени увеличивает себестоимость производства сварочной проволоки, что приводит к снижению конкурентоспособности этой металлопродукции на рынке.

Поэтому совершенствование химического состава легированных сталей для сварочной проволоки и комплексные исследования закономерностей структурообразования в металле при охлаждении от температур аустенитизации как с отдельного, так и прокатного нагревов, а также определение взаимосвязи между микроструктурой и механическими свойствами катанки из этих сталей для разработка и освоения научно -обоснованной технологии производства катанки, повышенной деформируемости при волочении, является актуальной научно-технической задачей.

Цель исследования. Разработка химического состава и технологии разупрочняющей термообработки катанки из легированных сталей сварочного назначения, обеспечивающих повышение деформируемости при волочении проволоки без применения отжига до получения конечных диаметров и экономию энергоресурсов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить кинетику превращения аустенита в сталях сварочного назначения типа Св-08Г2С, Св-08ГНМ при непрерывном охлаждении с построением термокинетических и структурных диаграмм фазовых превращений. Выявить особенности структурообразования и тонкого строения структуры катанки из исследуемых легированных сталей при различных условиях охлаждения.

2. Оценить влияние легирующих элементов на структуру, механические и технологические свойства катанки сварочного назначения. Скорректировать химический состав сварочных сталей, легированных марганцем, кремнием, молибденом, никелем, хромом, ванадием и дополнительно бором.

3. Исследовать ликвацию С, Мп, и других легирующих элементов в непрерывно-литой заготовке и катанке, оценить ее влияние на структурообразование и свойства катанки.

4. Разработать режимы охлаждения катанки на линии 81е1тог, обеспечивающие снижение прочностных характеристик и повышение технологической пластичности при волочении сварочной проволоки без применения начальных и промежуточных термообработок катанки и проволоки.

Научная новизна и значимость полученных результатов состоит в следующем.

1. Определено, что в сталях Св-08Г2С и Св-08ГНМ дополнительное легирование бором с установленным отношением ВЛЧ = 0.80 ±0.15 снижает критическую скорость закалки и увеличивает температуру начала мартенситного превращения, несмотря на снижение в пределах марочного состава содержания легирующих элементов, что приводит к более интенсивному формированию бейнитно-мартенситных участков. Установлены интервалы диффузионного и промежуточного превращений. Показано, что при скоростях охлаждения менее критических превращение аустенита практически заканчивается в бейнитной области с сохранением до 5 % непревращенного аустенита, а для стали Св-08ГНМ количество остаточного аустенита составляет 3 % с окончанием распада в бейнитной области.

2. Установлено, что ограничение содержания упрочняющих элементов в сталях Св-08Г2С и Св-08ГНМ при отношении В/№ = 0.80 ±0.15, высокая температура конца прокатки (1000... 1050°С) и виткообразования (940...970°С), низкая скорость воздушного охлаждения катанки на линии 81е1шог, не превышающая 0.35°С/с, снижают плотность дислокаций и микродеформацию кристаллической решетки феррита и гарантируют получение размера зерна феррита № 9, 8, минимальное количество бейнитно-мартенситных участков, что обеспечивает повышение деформируемости катанки и безотжиговое волочение.

3. Установлено, что изотермическая выдержка аустенита стали Св-08Г2С разработанного химического состава в интервале температур

550...600°С, а сталей Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА, Св-08ХГ2СМФ при

600...700°С в течение 1200... 1800 с формирует преимущественно фер-

ритно-перлитную структуру: в сталях Св-08Г2С, Св-08ГНМ и

Св-08Г1НМА без бейнитно-мартенситных участков, а в стали Св-08ХГ2СМФ образуются бейнитно-мартенситные участки до 6 %.

Практическая значимость. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработана и в условиях ОАО «Молдавский металлургический завод» (ОАО «ММЗ») реализована комплексная технология производства катанки из всех исследуемых сталей, разлитых на машинах непрерывного литья в заготовки малого сечения, исключающая промежуточные отжиги при волочении.

По кооперации ОАО «ММЗ» — ОАО «Межгосметиз-Мценск» и ОАО «ММЗ» - ОАО «Северсталь-метиз» разработана и внедрена сквозная энергосберегающая технология производства омедненной сварочной проволоки диаметром 5.0...0.8 мм из борсодержащих легированных сталей, обеспечивающая высокую деформируемость катанки в проволоку без термической обработки.

Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в условиях ОАО «ММЗ» и на метизных предприятиях составляет 463750 долларов США в ценах 2009 г.

Разработана нормативная документация на производство катанки по новой технологии на ОАО «ММЗ»:

ТИ 518-2012-ПС-0006-2006 «Термическая обработка стержневого и бунтового проката в потоке мелкосортно-проволочного стана 320/150»;

технологическая карта ТК 6 «Сквозной технологический процесс производства продукции в соответствии с требованиями контрактов. Арматурные кремнемарганцевые и сварочные низколегированные стали»;

технические условия ТУ У 27.1-23365425-595:2005 «Катанка повышенной деформируемости из легированной стали для изготовления сварочной проволоки прямым волочением»;

техническое соглашение ТО/ТС-СС-01-2008 об условиях поставки катанки из легированной стали марок Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА, Св-1ОГ А А, Св-08ХГ2СМФ, Св-10ХГ2СМФ, Св-08Г1НФАА и Св-08Г1Н2ФАА для изготовления сварочной проволоки между СЗАО «ММЗ», ОАО «Северсталь-метиз», ОАО «ТД «ММЗ».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Закономерности формирования структуры при непрерывном охлаждении с разными скоростями в сталях сварочного назначения, легированных бором и минимальным содержанием на марочном уровне упрочняющих элементов.

2. Влияние разработанного химического состава легированных сталей сварочного назначения и режимов охлаждения на линии Stelmor на тонкую структуру катанки.

3. Изменение структуры и свойств катанки при использовании изотермической выдержки в процессе охлаждения на воздухе.

4. Разработанные химический состав сталей и режимы охлаждения катанки на линии 81е1тог, гарантирующие повышенную ее деформируемость при волочении в омедненную сварочную проволоку.

5. Влияние химического состава исследуемых сталей с бором на развитие ликвационных процессов в кристаллизующемся металле, струк-турообразование и механические свойства катанки, деформируемость катанки при волочении.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Меж-дунар. научн. техн. конф. «Технология и оборудование прокатного производства», г. Москва, 2009 г.; 67-ой научн. техн. конф. г. Магнитогорск, 2009 г.; Междунар. научн. техн. конф. "Процессы абразивной обработки, инструменты и материалы", г. Волжский, Волгоградской обл., 2009 г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 15-ти публикациях, в том числе 2-х монографиях; 2-е статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений.

Материалы работы изложены на 128 страницах (122 страниц основного текста) и содержат 58 рисунков, 25 таблиц, список использованных литературных источников из 111 наименований и 4 приложения на 6 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе выполнен аналитический обзор научнотехнических источников по влиянию легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Определены требования к химическому составу и механическим свойствам сталей, комплексно легированных в различных сочетаниях и количествах Мп, Б], Сг, Мо, V, N1 и др. элементами, качеству катанки из легированных сталей для производства сварочной проволоки, оборудованию и технологии ее изготовления. На основании аналитического обзора научно-технической литературы определена цель и сформулированы основные задачи работы.

Во второй главе показано, что объектом исследования является катанка диаметром 6.5-5.5 мм из стали, комплексно легированной Мп, 81, Сг, Мо, V, N1. Приведены основные технологические схемы производства катанки и проволоки, а также методы исследования.

В работе использованы современные методы испытаний механических свойств, контроля и анализа структуры. Анализ химического со-

става стали осуществляли с помощью рентгеновских спектрометров ARL-3460, Spectrolab-M, Spectroflaime, газовых анализаторов LECO - TN 314 и ТС 436, Strohlein - модели O-H-N-Mat и др. Механические свойства проката определяли по ГОСТ 1497-84 на разрывных машинах EU100, EDZ-40, Р-20, UP-500. Измерение твердости проводили на приборах ТК 14-250 и ТР 5006, микротвердости - на ПМТ-3 и МНТ-240. Структурные параметры металла определяли на световых микроскопах Neophot 32 и Olympus 1X70, автоматическом анализаторе изображения IA-3001 с программным обеспечением фирмы LECO, электронных микроскопах VEGA TS5130MM и EF-2. Микрорентгеноспектральный анализ осуществляли с помощью энергодисперсионного и волнового спектрометров фирмы Oxford Instruments Analytical Со. Размер действительного зерна определяли по ГОСТ 5639-82. Кинетику превращений аустенита при непрерывном охлаждении изучали на дилатометрах АД-80 и МД-83 конструкции института черной металлургии национальной академии наук Украины.

Технологию производства катанки разрабатывали для реконструированной линии Stelmor ОАО «ММЗ», имеющей участок замедленного воздушного охлаждения под теплоизолирующими крышками длиной 120 м.

В третьей главе изучена кинетика превращения аустенита в борсодержащей (В - 0.0084 %) кремнемарганцевой стали Св-08Г2С с содержанием базовых легирующих элементов на нижнем пределе (С - 0.07 %; Мп

- 1.79 %; Si - 0.78 %) и построены термокинетическая и структурная диаграммы (рис. 1).

ег

^—4

|Зо л»

и . 7.. <** И’ <0* Тг *“ -*-+ П —б -*-11 к

а о

Рис. 1. Термокинетическая (а) и структурная (б) диаграммы превращений

аустенита в стали Св-08Г2С (С = 0.07 %; Мп = 1.79 %; = 0.78 %,

В = 0.0084%)

При малой скорости охлаждения до 0,8°С/с основной структурной составляющей является феррит с небольшим количеством перлита и бей-нита. Дальнейшее увеличение скорости приводит к увеличению бейнит-

Iя

/чГЛ/

Д N i \ "

Скорость охлажзекия. С/с

ной фазы и в конечном итоге к полностью мартенситной структуре (рис. 2). Для стали марки Св-08Г2С с бором бейнитное превращение начинается при температуре 600-550°С, и область превращения значительно сдвинута вправо (время инкубационного периода примерно 30 с), что способствует образованию в стали бейнитных и мартенситных структур при меньших скоростях охлаждения по сравнению со сталью Св-08Г2С без бора, у которой инкубационный период не превышает 1с.

Рис. 2. Структура катанки из стали Св-08Г2С с бором после предварительной аустенитизации при температуре 950 °С и последующего охлаждения со скоростью (°С/сек): а - 0.1, б - 0.8, в - 5.5, г - 350; (х500)

Для минимизации количества бейнитно-мартенситных участков (ЕМУ) и повышения деформируемости для безотжигового волочения катанки из исследуемой стали был смоделирован режим, по которому катанку охлаждали на воздухе от температур аустенитного состояния до температур 600...550°С и выдерживали при этой температуре в течение

1200...1800 с. Анализ структуры показал отсутствие ЕМУ. На основании эксперимента на реконструированной линии Біеішог был реализован режим, обеспечивающий от температуры виткообразования 940...970°С минимальную скорость охлаждения (0.38. ,.0.28°С/с) под теплоизолирующими крышками и выдержку, близкую к изотермической. В результате в стали Св-08Г2С с бором и пониженной легированностью, формируется, согласно результатам просвечивающей электронной микроскопии, структура, характеризующаяся наличием низкодислокационного фер-

рита в количестве до 85...90 %, перлита частично пластинчатого, частично сфероидизированного в количестве 10... 15 %, обладающая высокой пластичностью. При этом обработанная по такому режиму катанка гарантированно имела БМУ не более 5 %, в которых бейнитная составляющая представлена верхним бейнитом, а мартенсит обладает большей пластичностью по сравнению с опытами с высокой скоростью охлаждения, т.к. исчезают микродвойники, снижается плотность дислокаций и, соответсвен-но, микротвердость.

Катанка при переработке в проволоку нагревается до температур

400,..500°С. Исследование механических свойств катанки из стали Св-08Г2С разработанного химического состава с бором также показали ее повышенную пластичность в условиях теплой деформации (рис. 3).

400 : - ! 380 —1 , 1 ! Т' " "Т‘ "Г ■"

360 ' 1 . 1_. :

340

320 і сжг;

зоо ; 280 : • 260 + 240 і і м .

*>ро 4- .. 4 і | .! — .1 ...

200 •! і 1 —1 ! 1 ! 1

-+ - Ч-

20 100 1 50 200 250 300 350 400 450 500

Температура испытания, °С

“Св-08Г2С без бора

■Св-08Г2С с бором

Температура испытания. оС “Св-08Г2С с бором ' • ■ Св-08Г2С без бора

Рис 3. Зависимость предела текучести и относительного сужения катанки диаметром 5.5 мм из стали Св-08Г2С от температуры растяжения и легирования бором

Ликвации в непрерывно-литой заготовке, переходящие к катанку, способствуют появлению в ее осевой зоне БМУ. Так, коэффициент ликвации для Мп, определяемый как отношение концентраций химического элемента в БМУ и феррите, составляет 1,57. Введение в сталь бора, а также снижение содержания всех упрочняющих элементов до минимального уровня существенно уменьшает их ликвацию. Коэффициенты ликвации в катанке из стали без бора по С, Мп, 8| равны 2.0; 2.7; 1.8, соответственно, что превышает уровень ликвации этих же элементов в стали с бором в 1.2, 1.9 и 1.3 раз, соответственно.

В четвертой главе представлены результаты исследования катанки из сталей Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА, Св-08ХГ2СМФ, на основании которых скорректирован химический состав сталей и разработана технология производства катанки, позволяющая проводить безотжиговое волочение ее в проволоку.

Анализ полученной в работе термокинетической диаграммы (рис. 4) для стали Св-08ГНМ с ограниченным на нижнем марочном со-

держании основных упрочняющих элементов (С, Mn, Si, Р) и определенным в работе отношением B/N = 0.8 ± 0.15 продемонстрировал такие же закономерности структурообразования, что и в стали Св-08Г2С, но с некоторым сдвигом интервалов превращений. Это позволяет использовать те же подходы при разработке технологии двухстадийного охлаждения для обеспечения безотжигового волочения катанки в проволоку исследуемых легированных сталей.

1000

tic

goo 000 700 600 500 400 300 200 100

Рис. 4. Термокинетическая диаграмма стали Св-08ГНМ, микролегированной бором

Моделирование охлаждения на второй стадии на транспортере линии 81е1шог под опущенными теплоизолирующими крышками позволило определить температуру выдержки в интервале 700 - 600°С в течение 1200 - 1800 с, при использовании которой обеспечивается минимальная микротвердость (рис. 5) и отсутствие БМУ в сталях Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА, а в стали Св-08ХГ2СМФ БМУ снижается до 6 %, что обусловливает максимальную деформируемость катанки при волочении. Такая схема охлаждения дает хороший результат в производственных условиях при повышении температуры конца прокатки катанки до 1000 - 1050°С и соответствующем увеличении температуры виткообра-зования до 940 - 970°С вместо принятых 900 - 920°С.

Повышение температуры способствует получению однородного зерна № 8, 9 (рис. 6). При этом образующийся феррит имеет пониженную плотность дислокаций, а вторая, по количеству структурная составляющая — бейнит имеет пластины а-фазы толщиной 0.2...0.9 мкм с микровыделениями цементита внутри пластин - нижний бейнит и с выделением цементита в виде микрополос по границам пластин - верхний бейнит (рис. 7).

Температура, °С

Рис. 5. Зависимость микротвердости катанки от температуры изотермической выдержки стали Св-08ГНМ

Рис. 6. Благоприятная (а) для последующего волочения структура катанки (температура виткообразования 940...970°С, размер зерна феррита № 9, 8, предел прочности 433 МПа) и неблагоприятная структура (б) (температура виткообразования 900...920°С, размер зерна феррита № ] 0, 11, предел прочности 702 МПа), х 500

а б

Рис. 7. Структурные составляющие катанки Св-08ГНМ феррит (а) и бейнит (б), х 25000

В результате исследования ликвации в непрерывнолитой заготовке сечением 125x125 мм из стали Св-08ГНМ установлено, что суммарные коэффициенты ликвации С, 81, Мо, Мп, N1 относительно не высоки -

0.697... 1.097, что существенно меньше, чем у стали Св-08Г2С - клу = 3.4 (по углероду, марганцу и кремнию).

На основании комплекса проведенных исследований разработаны адекватные реальному процессу математические зависимости механических свойств катанки из легированных сталей от химического состава стали и технологических режимов двухстадийного охлаждения на линии 81е1шог, которые могут быть использованы для автоматизированного управления технологией производства катанки в режиме «советчика» и, в перспективе, - в режиме прямого управления

ств = 23.57+ 2292СЭ+ 181.ЗОВ/И-0.64^ (1),

стт = 110.91 + 1776СЭ + 296.20В/Ы - 0.86^ (2),

\\>= 161.50 -198СЭ + 4.54В/Ы- 0.0 (3),

где Сэ - углеродный эквивалент,

- температура на виткоукладчике, ст„ - предел прочности, ств- предел текучести,

Ч* - относительное сужение.

В пятой главе с учетом установленных закономерностей структу-рообразования в борсодержащих сталях, легированных марганцем, кремнием, молибденом, никелем, хромом, ванадием, бором и другими элементами с минимальным содержанием в пределах марочного состава, разработана и внедрена базовая технология разупрочняющей термообработки катанки сварочного назначения, которая характеризуется следующими параметрами:

- температура металла перед проволочным блоком - не более 970°С;

- раскладка катанки на витки проводится при температуре

940...970°С;

- воздушное охлаждение витков катанки со средней скоростью

0.3°С/с до температуры 700...600°С осуществляется при закрытых теплоизолирующих крышках, а от указанной температуры охлаждение до

350...300°С - со средней скоростью 1.5°С/с.

Катанку из стали Св-08Г2С, полученную по такой технологии, исследовали на обрывность при волочении в условиях ОАО «Межгосме-тиз», г. Мценск. Было показано, что существует зависимость этого технологического параметра от количества ЕМУ (рис. 7), отношения В/И, а также Сэ и Мпэ. Минимизация обрывности достигается при соблюдении отношения В/Ы на уровне 0.8 ± 0.15 и снижения

Сэ< 0.550 % и Мпэ< 2.1 % в рамках марочного состава стали Св-08Г2С, при этом катанка имела БМУ в количестве < 5 %, ав < 500 МПа, ¥ > 75 %, что позволило помимо удовлетворительного удаления окалины с поверхности перед волочением минимизировать обрывность при волочении без промежуточных отжигов.

Катанка из сталей марок Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА и Св-08ХГ2СМФ, с предложенным химическим составом, произведенная по разработанной технологии, безобрывно переработана в условиях ОАО «Северсталь-метиз», ОАО «Межгосметиз-Мценск» и ОАО «Северсталь-метиз» в сварочную проволоку диаметром 2.0. ..5.0 мм.

Проволока имеет сертификат Российского национального агентства по контролю сварочных материалов и процессов - НАКС. Испытания в условиях трубных заводов сварочной проволоки, произведенной прямым волочением, показали ее высокую технологичность на трубосварочных станах и соответствие качественных характеристик сварных швов труб нефтегазового сортамента требуемым нормам.

БМУ, %

Рис. 7. Зависимость обрывности проволоки 0.8мм при волочении катанки 5,5 мм из стали Св-08Г2С от количества БМУ

Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы в условиях ОАО «ММЗ» составляет 463750 долларов США в ценах 2009 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые изучена кинетика превращения аустенита в сталях Св-08Г2С и Св-08ГНМ, дополнительно легированных бором, с построением термокинетических диаграмм, согласно которым изотермическая выдержка в интервале температур 550...600°С в течение 1200... 1800 с в стали Св-08Г2С с содержанием базовых легирующих элементов на нижнем марочном пределе обеспечивает формирование ферритно-перлитной структуры, не содержащей бейнитно-мартенситных участков. Для катанки из легированных сталей типа Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА аналогичные результаты дает выдержка при 600...700°С в течение 1200... 1800 с. Для стали СВ-08ХГ2СМФ и том же режиме в структуре стали наблюдается минимальное количество БМУ (до 6 %). Это обусловливает максимальную деформируемость катанки при волочении.

2. Экспериментально доказано, что при обеспечении наличия в стали только "химически нерастворимого" бора в виде нитрида бора 1Ш гарантируется высокая пластичность катанки при разработанных режимах термообработки. Определено, что пластифицирующий эффект бора усиливается в катанке из низкоуглеродистой стали при увеличении длительности изотермической выдержки на реконструированной линии 81е1тог.

3. Установлено, что в катанке из исследуемых сталей наблюдается дендритная ликвация легирующих элементов, наследуемая от непрерывнолитой заготовки, которая способствует образованию БМУ в структуре. Минимизация количества БМУ обеспечивается снижением в пределах марочного химического состава содержания легирующих элементов, а также уменьшением степени развития дендритной ликвации указанных элементов за счет дополнительного легирования бором.

4. Исследование тонкой микроструктуры катанки из анализируемых марок стали при помощи растровой и просвечивающей электронной микроскопии, электронной дифракции показало, что при разработанном химическом составе и термообработке формируется низкодислокационный высокопластичный феррит с минимальным количеством упрочняющей мартенситно-бейнитной структуры, состоящей из относительно пластичного мартенсита без двойников и верхнего и нижнего бейнита.

5. Разработаны математические зависимости, прогнозирующие механические свойства (предел прочности и относительное сужение) катанки из исследуемых сталей в зависимости от комплексных показателей химического состава стали (Сэ, Мпэ, В, В/И) и технологических параметров, таких как температура на виткоукладчике (1в/у) и время выдержки, близкой к изотермической (ткр). Показано, что наиболее значимо на механические свойства катанки влияют углеродный эквивалент, скорость прокатки и время термостатирования витков под теплоизолирующими крышками.

6. Разработанные химический состав стали с минимизацией упрочняющих элементов и В/И = 0.8 ± 0.15, а также технология охлаждения катанки на воздушной стадии линии 81е1тог, заключающаяся в использовании Ц, = 940...970°С и движении витков по роликовому транспортеру с закрытыми теплоизолирующими крышками со скоростью Утр = 0.09...0.12 м/с, обеспечили среднюю скорость охлаждения катанки Уохл = 0.28...0.38°С/сек, в результате чего количество БМУ в стали Св-08Г2С составило < 5 %, ав < 500 МПа, 'Р > 75 %. Это позволило получить удовлетворительное удаление окалины с поверхности катанки перед волочением и проводить волочение без промежуточных отжигов при снижении обрывности в 5 раз. Для сталей марок Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА, Св-08ХГ2СМФ предел прочности имел диапазон

430...530 МПа, относительное сужение - не менее 65 %, что обеспечило безобрывное безотжиговое волочение катанки в проволоку диаметром

5.0...2.0 мм.

7. Переработка катанки повышенной пластичности и деформируемости при безотжиговом волочении в сварочную проволоку на метизных заводах Российской Федерации в условиях ОАО «Северсталь-метиз», ОАО «Межгосметиз-Мценск» и ОАО «Северсталь-метиз», Украины (ОАО «Стальканат») и др. показала её высокую технологичность и полное соответствие нормативной документации и требованиям потребителей готовой проволоки. Сварочная проволока аттестована Российскими речным и морским регистрами, Российским национальным агентством по ■ контролю сварочных материалов и процессов - НАКС.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Формирование оптимальных свойств окалины на поверхности катанки / А.Б. Сычков, М.А. Жигарев, С.Ю. Жукова, A.B. Перчаткин, A.B. Перегудов, А.М. Нестеренко, В.В. Парусов // Бендеры. Полиграфист. 2008.292 с.

2. Исследование возможности наиболее полного удаления окалины с поверхности катанки перед волочением / В.В. Парусов, А.Н. Савьюк, А.Б. Сычков, А.М. Нестеренко, A.A. Олейник, М.А. Жигарев, A.B. Перчаткин // Металлург. 2004. № 6. С. 69 -72 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

3. Vetting wire rod quality. Part 1. / A.B. Sychkov, I.V. Derevi-anchenko, M.A. Zhigarev, A.V. Perchatkin, S.Y. Zhukova, A.V. Peregudov// Wire Industry. 2006. October. P. 31 - 37.

4. Vetting wire rod quality. Part 2. / A.B. Sychkov, I.V. Derevi-anchenko, M.A. Zhigarev, A.V. Perchatkin, S.Y. Zhukova, A.V. Peregudov// Wire Industry. 2006. November. P. 30-39.

5. Обеспечение удаления окалины с поверхности катанки перед волочением / А.Б. Сычков, М.А. Жигарев, С.Ю. Жукова, A.B. Перчаткин,

A.B. Перегудов, О.Г. Гункина, О.Н. Верещагина - Метизы // 2007. №2(15). С. 48-54.

6. Освоение производства сварочной катанки из легированной стали Св-08ХГСМФА / А.Б. Сычков, В.В. Парусов, М.А. Жигарев, С.Ю. Жукова, A.B. Перчаткин, A.B. Перегудов // Металлург. 2007. № 7. С. 6369 (издание, рекомендованное ВАК РФ).

7. Влияние химического состава и технологических факторов на механические характеристики катанки из стали сварочного назначения /

B.В. Парусов, И.Н. Чуйко, О.В. Парусов, А.Б. Сычков, М.А. Жигарев,

A.B. Перчаткин // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2009. № 1.С. 87-89.

8. Структурообразование в катанке из легированных сталей сварочного назначения / В.В. Парусов, И.Н. Чуйко, О.В. Парусов, М.Ф. Ев-сюков, А.Б. Сычков, М.А. Жигарев, A.B. Перчаткин // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2008. № 6. С. 47-49.

9. А. Б. Сычков, A.B. Перчаткин, А.Н. Емелюшин. Производство сварочной катанки из легированных марок стали // Материаловедение и термическая обработка металлов. Междунар. Сб. научных трудов / Под. Ред. А.Н. Емелюшина. Магнитогорск: МГТУ. 2009. С. 101-106.

10. А. Б. Сычков, И.В. Деревянченко, М.А. Жигарев, С.Ю. Жукова, A.B. Перчаткин, A.B. Перегудов, А.Н. Емелюшин. Эффективная технология термомеханической обработки легированной катанки сварочного назначения // Материаловедение и термическая обработка металлов: Междунар. Сб. научных трудов / Под. Ред. А.Н. Емелюшина. Магнитогорск: МГТУ. 2009. С. 158-164.

11. Влияние химического состава на структуру, свойства и технологическую пластичность катанки сварочного назначения из стали Св-08ГНМ / В. В. Парусов, А. Б. Сычков, И. Н. Чуйко, О. В. Парусов, С. Ю. Жукова, М. А. Жигарев, А. В. Перчаткин // Теория и практика металлургии. 2009. № 1-2. С. 98-102.

12. Оценка технологичности переработки катанки из легированных сталей сварочного назначения на метизном переделе /В. В. Парусов, И. Н. Чуйко, О. В. Парусов, А. Б. Сычков, М. А. Жигарев, А. В. Перчаткин, С. Ю. Жукова // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. тр. Днепропетровск: ПГАСА. 2009. Вып. 48. Ч. 2. -С. 8-11.

13. Производство катанки качественного сортамента в условиях

ОАО «Молдавский металлургический завод» / А.Н. Савьюк, И.В. Деревянченко, А.Б. Сычков, М.А. Жигарев, A.B. Перчаткин, A.B. Перегудов, О Л. Кучеренко, И.В. Репин // Междунар. научн. тех. конф. Технология и оборудование для прокатного производства. М. ООО «Теплоэнергетик». 2009. С. 72-87. • .

14. Структурообразование в высокоуглеродистой катанке для высокопрочных арматурных канатов / А.Н. Емелюшин, А.Б. Сычков, М.А. Жигарев, A.B. Перчаткин. - В сб. научных трудов МНТК "Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Под общей ред. д.т.н., проф. В.М. Шумягера. - Волгоград, 2009/2010. С.45-49.

15. Структура и свойства катанки для изготовления электродов и сварочной проволоки / А.Б. Сычков, В.В. Парусов, А.М. Нестеренко,

С.Ю. Жукова, М.А. Жигарев, A.B. Перчаткин, A.B. Перегудов, И.Н. Чуйко // Бендеры. Полиграфист. 2009. 608 с.

Подписано в печать 16.01.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 25.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

61 12-5/1927

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.И. НОСОВА»

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КАТАНКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

На правах рукописи

ПЕРЧАТКИН АНДРЕИ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доцент, доктор технических наук Завалищин А. Н.

Магнитогорск 2012

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................................................12

1.1. Влияние химических элементов на структуру и свойства стали и катанки для производства сварочной проволоки............................................................................13

1.2. Технология изготовления катанки из легированных сталей для производства сварочной проволоки............................................................................21

1.3. Цель и задачи исследования..................................................................................24

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................26

Выводы по главе 2.....................................................................................................32

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В КАТАНКЕ ИЗ СТАЛИ СВ-08Г2С, ДОПОЛНИТЕЛЬНО ЛЕГИРОВАННОЙ БОРОМ......................................................................................34

3.1. Исследование кинетики распада аустенита при непрерывном охлаждении..36

3.2. Зависимость структуры и свойств катанки от условий изотермической выдержки в процессе охлаждения...............................................................................41

3.3. Влияние химического состава стали и скорости охлаждения на линии 81е1тог на структуру и свойства катанки...................................................................48

3.4. Влияние температуры деформации на свойства катанки из стали Св-08Г2С, микролегированной бором и без добавок бора..........................................................58

3.5. Исследование влияния ликвационных процессов на формирование бейнитно-мартенситных участков...............................................................................61

Выводы по главе 3.....................................................................................................65

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В КАТАНКЕ ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ.......................................................67

4.1. Исследование кинетики распада аустенита при непрерывном охлаждении стали Св-08ГНМ.............................................................................................................68

4.2. Зависимость структуры и свойств катанки от условий изотермической выдержки в процессе охлаждения...............................................................................73

4.2.1. Катанка из стали Св-08ГНМ..........................................................................74

4.2.2. Катанка из стали Св-08Г1НМА.....................................................................77

2

4.2.3. Катанка из борсодержащей стали Св-08ХГ2СМФ.....................................78

4.3. Исследование ликвационных процессов в НЛЗ и катанке................................80

4.4. Формирование эффективной структуры катанки из легированной стали для безотжигового волочения.............................................................................................86

4.5. Построение регрессионных зависимостей механических свойств катанки от химического состава стали и технологии двухстадийного охлаждения катанки на линии 81е1шог..................................................................................................................89

Выводы по главе 4.....................................................................................................94

5. ВЫБОР ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛЕЙ И ТЕХНОЛОГИИ УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАТАНКИ ПОВЫШЕННОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ НА МЕТИЗНОМ ПЕРЕДЕЛЕ.97

5.1. Выбор эффективных химического состава стали и режима охлаждения катанки.............................................................................................................................97

5.2. Технологичность переработки катанки на метизном переделе.......................99

5.2.1. Катанка из стали Св-08Г2С.........................................................................100

5.2.2. Катанка из стали Св-08ГНМ и Св-08ХГ2СМФ.........................................103

Выводы по главе 5...................................................................................................Ю7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................108

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................Ш

Приложение 1...............................................................................................................123

1

Приложение 2...............................................................................................................

1 уу

Приложение 3...............................................................................................................1 ^'

1 ло

Приложение 4...............................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время около 98 % стальных конструкций выполняются сварными. Высокое качество и долговечность сварных металлических конструкций зависит от качества сварочных работ и эффективности сварочных материалов.

Одним из главных условий сварки металлоконструкций, влияющих на их качество и работоспособность, является правильный выбор применяемой сварочной проволоки, которая должна обладать высокими технологическими и механическими свойствами, так как она является основным материалом, обеспечивающим требуемые химический состав и свойства металла сварного шва конструкций. При этом наиболее широко используется сварочная электродная проволока из кремнемарганцевой стали марки типа Св-08Г2С (сварка, в основном, корпусов судов в среде защитных газов), а также сталей, легированных молибденом, никелем, хромом, ванадием и другими элементами (сварка труб большого диаметра - ТБД, магистральных трубопроводов с применением, преимущественно, флюсов) [1...3].

Ранее разработанная технология механоциклической обработки проволоки сварочного назначения с целью повышения ее деформируемости за счет эффекта Баушингера и обеспечения безотжигового волочения до диаметра 0.8мм не нашла широкого применения из-за отсутствия необходимого оборудования и средств контроля качественных характеристик [4.. .6].

Задачей настоящей диссертации является разработка химического состава низкоуглеродистой легированной марганцем, кремнием, хромом, никелем, молибденом, ванадием (в разных сочетаниях и концентрациях элементов) стали и поточной термической обработки для безотжигового волочения сварочной проволоки, применяемой для сварки в среде защитных газов и с использованием флюсов. Как известно, в последнее время производство ТБД и трубопроводов актуально в связи с реализацией в РФ нескольких крупномасштабных проектов как для собственного, так и для зарубежных топливно-энергетических

комплексов. Это, например, следующие проекты: вторая очередь магистрали Восточная Сибирь - Тихий океан; освоение Чаядинского и Ковыктинского месторождений в рамках Единой газотранспортной системы; Северо-Европейский газопровод - МЖО-БТКЕАМ и др. [7, 8].

Основной особенностью кремнемарганцевых сталей и сталей, легированных молибденом, никелем, хромом, ванадием и другими элементами, относящихся к ферритно-мартенситному классу, является наличие в структуре катанки бейнитно-мартенситных участков [9]. Наличие таких участков снижает технологическую пластичность катанки, в связи с чем возможности безотжиго-го волочения значительно ограничиваются. Для решения научно-технической задачи получения высокопластичной катанки из стали марок типа Св-08Г2С, Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА, Св-08ХГ2СМФ в настоящей работе были изучены закономерности формирования структуры в процессе ТО; минимизировано количество закалочных структур; скорректирован химический состав стали за счет снижения содержания упрочняющих элементов (С, Сг, Мп, Р, N1, Мо, V) в пределах марочного состава стали; предложено взаимное связывание азота и бора в нитрид бора для вывода азота из твердого раствора внедрения и нейтрализации закаливающего действия свободного - эффективного бора и определена минимально-возможная скорость воздушного охлаждения (~ 0.3 °С/с) на линии 81е1тог.

В условиях ОАО «Молдавский металлургический завод» (ММЗ) проведены комплексные научно-технологические исследования, разработана и внедрена сквозная технология производства высококачественной стали, непрерывно-литой заготовки и катанки диаметром 5.5...6.5 мм из низкоуглеродистой стали, легированной марганцем, кремнием, хромом, молибденом, никелем, ванадием (в разных сочетаниях и концентрациях), марок Св-08Г2С, Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА, Св-08ХГ2СМФ, Св-ЮНМ, Св-10ХГ2СМФ, Св-08ХГСМФА, Св-10ГАА и др. [10...38]. В настоящей работе рассмотрена катанка из стали марок Св-08Г2С и Св-08ГНМ, в ряде случаев Св-08Г1НМА и Св-08ХГ2СМФ.

Широко применяемая традиционная технология производства сварочной катанки заключается как в использовании химического состава сталей в полном диапазоне марочных концентраций, так и в упрочняющей термической обработке катанки (например, окончание пластической деформации металла в межкритическом диапазоне температур, то есть в двухфазной аустенитно-ферритной области, в результате чего катанка приобретает дополнительные напряжение второго рода и упрочняется).

В настоящей диссертации успешно решена обратная задача, заключающаяся в достижении максимальной пластичности исходной катанки с целью исключения всех видов дополнительной термической обработки на метизном переделе за счет выбора рационального химического состава стали и формирования благоприятной микроструктуры металла. В результате проведенных исследований развиты научно-технические основы разупрочняющей технологии производства вышеуказанной катанки (технология ТО катанки в потоке прокатного стана с использованием естественного тепла прокатного нагрева). Увеличению деформируемости стальной катанки способствовало использование установки вакуумирования металла и его электромагнитное перемешивание на МНЛЗ.

Разработка эффективной технологии термообработки катанки на современной линии 81е1шог была проведена на базе лабораторных и промышленных экспериментов, расчета регрессионных зависимостей. На основе этого предложены решения по модернизации линии 81е1тог для обеспечения полной изотермической выдержки витков катанки под термоизолирующими крышками за счет установки на этих крышках электроподогревателей с циркуляционными вентиляторами. Получены статистически значимые уравнения связи механических свойств и параметров микроструктуры от химического состава и технологических параметров термообработки металла, позволяющие прогнозировать и управлять технологией производства катанки.

Переработка высокопластичной катанки повышенной деформируемости при безотжиговом волочении в сварочную проволоку на метизных заводах

Российской Федерации (ОАО «Северстальметиз; ОАО «Межгосметиз -Мценск» (МГММ); ОАО «Балтийский металлургический завод»; ОАО ВЭЛ) и Украины (ОАО «Днепрометиз»; ООО «МЕТКАН»; ЗАО АМЗ «ВИСТЕК») показала её высокую технологичность и полное соответствие нормативной документации и требованиям потребителей готовой сварочной омедненной проволоки. Причем в динамике показатели деформационной пластичности только улучшаются.

Актуальность темы. В настоящее время в странах ЕС и СНГ возросла потребность в сварочной проволоке из сталей, легированных марганцем, кремнием, молибденом, никелем, хромом, ванадием и другими элементами, которая применяется для сварки труб большого диаметра нефтегазового сортамента, судовой стали и т.п.

В катанке, используемой для волочения проволоки из таких сложнолегиро-ванных сталей, произведенной по существующей технологии, формируется многокомпонентная структура, содержащая ферритную, перлитную, бейнитную и мартенситную составляющие. Образование бейнитно-мартенситных участков в структуре, связанное со стабилизирующим действием на аустенит легирующих элементов и неоднородностью их распределения из-за ликвационных процессов, требует проведения на метизном переделе одной-двух операций рекристаллиза-ционного отжига катанки и/или проволоки для снятия наклепа и безобрывного волочения. Дополнительная термическая обработка в значительной степени увеличивает себестоимость производства сварочной проволоки, что приводит к снижению конкурентоспособности этой металлопродукции на рынке.

Поэтому совершенствование химического состава легированных сталей для сварочной проволоки и комплексные исследования закономерностей струк-турообразования в металле при охлаждении от температур аустенитизации как с отдельного, так и прокатного нагревов, а также определение взаимосвязи между микроструктурой и механическими свойствами катанки из этих сталей для разработка и освоения научно -обоснованной технологии производства катанки, по-

вышенной деформируемости при волочении, является актуальной научно-

технической задачей.

Цель исследования. Разработка химического состава и технологии ра-

зупрочняющей термообработки катанки из легированных сталей сварочного назначения, обеспечивающих повышение деформируемости при волочении проволоки без применения отжига до получения конечных диаметров и экономию энергоресурсов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить кинетику превращения аустенита в сталях сварочного назначения типа Св-08Г2С, Св-08ГНМ при непрерывном охлаждении с построением термокинетических и структурных диаграмм фазовых превращений. Выявить особенности структурообразования и тонкого строения структуры катанки из исследуемых легированных сталей при различных условиях охлаждения.

2. Оценить влияние легирующих элементов на структуру, механические и технологические свойства катанки сварочного назначения. Скорректировать химический состав сварочных сталей, легированных марганцем, кремнием, молибденом, никелем, хромом, ванадием и дополнительно бором.

3. Исследовать ликвацию С, Mn, Si и других легирующих элементов в непрерывно-литой заготовке и катанке, оценить ее влияние на структурообразо-

вание и свойства катанки.

4. Разработать режимы охлаждения катанки на линии Stelmor, обеспечивающие снижение прочностных характеристик и повышение технологической пластичности при волочении сварочной проволоки без применения начальных и промежуточных термообработок катанки и проволоки.

Научная новизна и значимость полученных результатов состоит в следующем.

1. Определено, что в сталях Св-08Г2С и Св-08ГНМ дополнительное легирование бором с установленным отношением B/N = 0.80 ±0.15 снижает критическую скорость закалки и увеличивает температуру начала мартенситного превращения, несмотря на снижение в пределах марочного состава содержания

легирующих элементов, что приводит к более интенсивному формированию бей-нитно-мартенситных участков. Установлены интервалы диффузионного и промежуточного превращений. Показано, что при скоростях охлаждения менее критических, превращение аустенита практически заканчивается в бейнитной области с сохранением до 5 % непревращенного аустенита, а для стали Св-08ГНМ количество остаточного аустенита составляет 3 % с окончанием распада в бейнитной области.

2. Установлено, что ограничение содержания упрочняющих элементов в сталях Св-08Г2С и Св-08ГНМ при отношении B/N = 0.80 ± 0.15, высокая температура конца прокатки (Ю00...1050°С) и виткообразования (940...970°С), низкая скорость воздушного охлаждения катанки на линии Stelmor, не превышающая 0.35°С/с, снижают плотность дислокаций и микродеформацию кристаллической решетки феррита и гарантируют получение размера зерна феррита № 9, 8, минимальное количество бейнитно-мартенситных участков, что обеспечивает повышение деформируемости катанки и безотжиговое волочение.

3. Установлено, что изотермическая выдержка аустенита стали Св-08Г2С разработанного химического состава в интервале температур 550...600°С, а сталей Св-08ГНМ, Св-08Г1НМА, Св-08ХГ2СМФ при 600...700°С в течение 1200... 1800 с формирует преимущественно ферритно-перлитную структуру: в сталях Св-08Г2С, Св-08ГНМ и Св-08Г1НМА без бейнитно-мартенситных участков, а в стали Св-08ХГ2СМФ образуются БМУ до 6 %.

Практическая значимость. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработана и в условиях ОАО «Молдавского металлургического завода» (ОАО ММЗ) реализована комплексная технология производства катанки из всех исследуемых сталей, разлитых на машинах непрерывного литья в заготовки малого сечения, исключающая промежуточные отжиги при волочении.

По кооперации ОАО «ММЗ» - ОАО «Межгосметиз-Мценск» и ОАО «ММЗ» - ОАО «Северсталь-метиз» разработана и внедрена сквозная энергосберегающая технология производства омедненной сварочной проволоки диамет-

ром 5.0...0.8 мм из борсодержащих легированных сталей, обеспечивающая высокую деформируемость катанки в проволоку без термической обработки.

Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в условиях ОАО ММЗ и на метизных предприятиях составляет 463750

долларов США в ценах 2009 г.

Разработана нормативная документация на производство ка�