автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование влияния температурного поля охлаждаемых изделий из конструкционных сталей на их строение и свойства после термообработки

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Состояние и перспективы развития производства, обработки и эффективности использования конструкционных сталей

1.2. Актуальные проблемы развития термической обработки изделий из конструкционных сталей

1.3. Теплофизика охлаждения

1.4. Формирование структуры и свойств стальных изделий при охлаждении в процессе термической обработки

1.5. Термические напряжения, возникающие в охлаждаемых стальных изделиях

1.6. Термическая обработка стального проката, включающая прерываемое охлаждение

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

2. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО СЕЧЕНИЮ

ОХЛАЖДАЕМЫХ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

2.1. Методика расчетно-аналитических исследований

2.2. Результаты расчета температурных полей охлаждаемых стальных

2.3. Диаграмма теплофизического состояния охлаждаемых стальных изделий

2.4. Номограмма для определения возможности осуществления прерываемого закалочного охлаждения

2.5. Методика расчета температуры отогрева поверхностных слоев термически массивных стальных изделий при прерываемом охлаждении

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

3.ПРОГНОЗ МИКРОСТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПОСЛЕ НЕПРЕРЫВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ в РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

3.1. Методы прогнозирования структурообразования по сечению охлаждаемых стальных изделий

3.2. Диаграммы микрострзАстурного состояния стальных изделий после непрерывного охлаждения

3.3. Определение микростр>тауры поверхности термически массивных стальных изделий после охлаждения

3.4.Определение толщины микроструктурных слоев, получаемых по сечению термически массивных изделий после охлаждения

3.5. Определение микроструктуры по сечению изделия в заданный момент охлаждения

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕРЫВАЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПРОВОЛОКИ

ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

4.1. Методика исследований 117 4.1.1. Расчет длительности электронагрева стальной проволоки 120 4.2.1. Расчет длительности охлаждения стальной проволоки до заданных среднемассовых температур

4.2. Результаты исследований

4.2.1. Механические свойства

4.2.2. Металлографические исследования

4.2.3. Удельное электросопротивление

4.2.4. Ток размагничивания

4.2.5. Рентгеноструктурный анализ

4.2.6. Фрактографический анализ 156 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕРЫВАЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА АРМАТУРНОЙ СТАЛИ

5Л. Методика исследований

5.2. Результаты исследований

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕРЫВАЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПРОКАТА

ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ВЫСАДКИ

6. Г Методика исследований

6.2. Результаты исследования

6.3. Рекомендации по прерываемому охлаждению проката для холодной высадки

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Ежегодно в мире вводится в эксплуатацию свыше 500 млн.т. детагаей машин и элементов сооружений из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей. В условиях зримого сокращения природных ресурсов возрастает значимость проблем, связанных как с ресурсосбережением, так и с сокращением разрыва между потенциально возможными и реально получаемыми потребительскими свойствами меташтопродукции.

Важная роль в решении этих проблем принадлежит металловедению и термической обработке. Существующие возможности в улучшении комплекса технологических и эксплуатационных свойств изделий из конструкционных сталей могут быть реализованы в технологиях термообработки с регулируемой интенсивностью охлаждения. Регулируемое охлаждение должно создавать условия, обеспечивающие получение требуемого строения и свойств по сечению изделий. Наиболее простым способом регулирования температурного поля охлаждаемых изделий является прерываемое охлаждение, в котором ступени интенсивного охлаждения чередуются с паузами охлаждения на воздухе.

Развитие технологий термообработки с регулируемым охлаждением и расширение их применения сдерживается ограниченными знаниями о влиянии изменения температурного поля на формирование строения и свойств по сечению охлаждаемых изделий. Накопление и систематизация таких знаний является актуальной проблемой теории и практики термической обработки стальных изделий.

Целью диссертационной работы являлось изучение влияния условий охлаждения на температурное поле, формирование строения и свойств термообрабатываемых изделий из конструкционных сталей.

Основные научные результаты работы: • Разработана диаграмма теплофизического состояния охлаждаемых стальных изделий.

• Разработаны номограммы для определения основных технологических параметров прерываемой закалки с самоотпуском.

• Разработаны диаграммы для прогнозирования микроструктуры по сечению термически тонких изделий, а также в центре термически массивных изделий из стали СтЗГпс и стали 40 после непрерывного охлаждения,

• Разработана компьютерная программа для прогноза микроструктуры по сечению стальных изделий в заданный момент охлаждения.

• Установлено, что прерванное интенсивное охлаждение термически тонких изделий из низкоуглеродистых сталей обеспечивает превращение переохлажденного аустенита одновременно по всему сечению в заданном температурном интервале в условиях, близких к изотермическим, и позволяет изменять свойства в широком диапазоне.

• Установлено, что при отсутствии фазовых превращений и структурных изменений в процессе охлаждения стали, прерванное охлаждение может быть использовано в качестве технологической операции, сокращающей длительность производственного цикла.

• Выявлены условия и причины формирования повышенной прочности при сохранении пластичности на уровне горячекатаного состояния, а также сокращения длительности отжига на зернистый перлит прерывисто охлажденного проката из конструкционной стали.

Практическая ценность работы:

• Разработанные диаграмма теплофизического состояния охлаждаемых стальных изделий и номограммы позволяют оценить возможность осуществления прерываемой закалки с самоотпуском и определить основные параметры технологии, обеспечивающие заданную твердость на поверхности изделий. Использование разработанных диаграммы и номограмм обеспечивает сокращегае времени и материальных затрат на определение параметров прерываемого охлаждения.

• Разработанные микроструктурные диаграммы дают возможность прогнозировать микроструктзфу по сечению изделий из стали СтЗГпс и стали 40, получаемую после непрерывного охлаждения из аустенитной области. Диаграммы могут быть использованы при определении параметров термической обработки с непрерывным охлаждением изделий из указанных сталей.

• Разработанная компьютерная программа позволяет моделировать структурообразование в охлаждаемых изделиях и может быть использована при разработке технологий термообработки, а также в учебных процессах. Использование компьютерного моделирования значительно сократит время на разработку технологических режимов и уменьшит объем экспериментов.

• Разработанные режимы электротермической обработки с прерванным охлаждением, повышают механические свойства низкоуглеродистой арматурной проволоки до уровня требований международного стандарта ИСО 10544. Рекомендации по развитию технологии электротермической обработки с прерванным охлаждением рассмотрены и одобрены на ОАО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" (ОАО "ЗСМК") (протокол №1 от 26.09.2001г.) Согласно расчетам обш;ий экономический эффект от реализации электротермической обработки арматурной проволоки на ОАО "ЗСМК" может превысить 10 млн. руб.

• Рекомендованные режимы прерываемого охлаждения проката для холодной высадки позволят повысить механические свойства горячекатаного проката, а также снизить затраты на сфероидизируюпщй отжиг за счет сокращения его длительности.

Часть диссертационной работы выполнена при поддержке гранта Министерства образования Российской Федерации ТОО-5.8-1333 по фундаментальным проблемам металлургии. Исследование влияния электротермической обработки с прерываемым охлаждением на строение и свойства низкоуглеродистой стальной проволоки выполнено по совместному плану с ОАО "Западно-Сибирский металлургический комбинат".

1, АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Существует значительный разрыв между потенциально возможным и достигаемым в массовых технологиях уровнем свойств термообработанных стальных изделий. Основной путь к снижению этого разрыва - адаптация условий охлаждения к фазовым превращениям и структурным изменениям в стали с учетом теплопереноса по сечению изделий. Разработка технологий регулируемого охлаждения, адаптированного к термокинетическим характеристикам стали требует знания закономерностей теплопереноса и их влияния на строение и свойства стальных изделий. В данной работе решен ряд задач, связанных с разработкой теоретических основ и расширением применения регулируемого прерываемого охлаждения в технологиях термической обработки изделий из констр>тщионных сталей.

1. Выполнена комплексная расчетно-аналитическая работа по иззЛению влияния условий охлаждения на изменение температуры, строения и свойств по сечению изделий из конструкционных сталей.

2. На основе известных и установленных закономерностей изменения температуры по сечению охлаждаемых стальных изделий разработана диаграмма теплофизического состояния стальных изделий при охлаждении в различных средах, позволяющая определить возможность осуществления прерываемой закалки с самоотпуском с теплофизической точки зрения. Диаграмма представлена в координатах "характерный размер изделия (радиус, половина толщины) -эффективный коэффициент охлаждающей среды". На диаграмму нанесены линии критических значений числа В1, разграничивающие области с качественно различным распределением температуры по сечению охлаждаемого изделия.

3. Построены номограммы, позволяющие определять основные технологические параметры прерванной закалки с самоотпуском. Номограммы основаны на сопоставительном анализе теплофизических параметров охлаждения: температуры охлаждения поверхности, скорости охлаждения поверхности и температуры отогрева поверхности при прерывании охлаждения с термокинетическими характеристиками стали (температурой начала мартенситного превращения Мн, критической скоростью закалки), определяющих успешность осуществления прерванной закалки с самоотпуском поверхности до требуемых температур. Номограммы дают возможность определить охлаждающую способность среды, обеспечивающую охлаждение поверхности изделия из конструкционной стали заданного размера до температур ниже температуры Мн, со скоростью больше критической, при сохранении тепла внутри охлаждаемого изделия, достаточного для самоотпуска поверхности до требуемых температур после прерывания охлаждения.

4. Разработана методика расчета температуры отогрева поверхностного слоя стального изделия после прерывания охлаждения, позволяющая производить расчеты как при допараболическом, так и при параболическом распределении температуры по сечению, в том числе при обработке экспериментальных данных.

5. На основе совместного анализа тешюфизического состояния охлаждаемых изделий и кинетики фазовых превращений стали разработаны методы прогнозирования микроструктуры по сечению термически тонких и термически массивных стальных изделий после непрерывного и прерываемого охлаждения, в том числе с использованием ПЭВМ. С использованием диаграммы тешюфизического состояния охлаждаемых стальных изделий и диаграмм превращения переохлажденного аустенита Аткинса (Atkins) разработаны диаграммы микроструктурного состояния стержней различного диаметра из стали типа СтЗГпс и стали 40 после непрерывного охлаждения в различных средах Разработана компьютерная программа, реализованная средствами языка Visual Basic for Applications на базе Microsoft Access и предназначенная для прогнозирования распределения микроструктуры по сечению стальных изделий в заданный момент охлаждения,

6. На арматурной и гладкой поволоке диаметром 4 мм из стали СтЗкп и стали Юкп соответственно, исследовано влияние прерванного охлаждения в воде на микроструктуру и свойства термически тонких стальных изделий. Показано, что прерванное интенсивное охлаждение позволяет изменять в широком диапазоне свойства проволоки, за счет распада аустенита в заданном температурном интервале в условиях близких к изотермическим. При отсутствии фазовых превращений и структурных изменений в стали в процессе охлаждения, прерванное охлаждение не оказывает влияния на свойства изделий и может быть использовано в качестве технологической операции для сокращения длительности производственного цикла. Разработаны режимы электротермической обработки с прерванным интенсивным охлаждением, обеспечивающие повышение технологических и эксплуатационньгх свойств проволоки из низкоуглеродистой стали.

7. Исследовано влияние прерываемого закалочного охлаждения в спокойной воде на микроструктуру и свойства арматуры диаметром 12 и 20мм из стали 35ГС. Установлено, что прерываемое закалочное охлаждение, включающее несколько стзшеней охлаждения в воде, чередующихся с паузами охлаждения на воздухе, может обеспечить более высокую прочность, по сравнению с одноступенчатым прерываемым охлаждением в воде той же длительности.

8. Произведен анализ результатов лабораторных и промышленных экспериментов по прерываемому интенсивному охлаждению проката для холодной высадки диаметром 20мм из стали 35 и диаметром 22 мм из стали 40. Выявлены условия и причины формирования повышенной прочности при сохранении пластичности на уровне горячекатаного состояния, ускоренной отжигаемости на зернистый перлит, а также повышенной пластичности проката после прерываемого интенсивного охлаждения. Разработаны рекомендации по технологии прерываемого интенсивного охлаждения, улучшающего комплекс потребительских свойств проката для холодной высадки.