автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка эффективных технологических процессов производства фасонных профилей высокой точности с применением ТМО

'МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

УРУСОВА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

"РАЗРАБОТКА ЭМНСТЮШ ТПНОЛОПСЧКСХП ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ФАСОНШХ ПРОМШ* ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ С ПРШЕННЛШ ТМО"

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая

обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ■ кандидата технических наук

Москва 19^4

\

Работа выполнена в Московском Государственном институте стали и сплавов (Технологическом университете) на кафедре Пластической деформации специальных'сплавов в лаборатории термомеханической обработки

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор КАПУТКИНА Л.М. кандидат технических наук, доцент ТРУСОВ В.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук ОДЕССКИЙ П.Д. кандидат технических наук МЕДВЕДЕВ В.В.

Ведущее предприятие: Московский завод "Серп и молот"

Защита диссертации состоится 19«Г?. в ^ часов

на заседании специализированного совета К 053.08.03 Московского Государственного института стали и сплавов. Адрес института: 117936,Москва, ГСП-1, Ленинский проспект,дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан

Справки по телефону: 236-99-44

Ученый секретарь специализированного

совета

Б.А.САМАРИН

- 3 -ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из современных прогрессивных видов металлургической продукции являются фасонные профили высокой точности (ФПВТ). Применение каздой тонны этих профилей в отраслях машиностроения обеспечивает экономию металла до 45 %. Существующие технологии производства ФПВТ с малой площадью поперечного

о

сечения (до 100 мм) включают в себя большое число чередующихся операций холодной пластической деформации, термической обработки (рекристаллизационного откига) и подготовительных к деформации

■ операций. Многоцикличность технологии повышает себестоимость профилей, в ряде случаев ухудшает качество продукции, увеличивается

■ размер зерна, возрастает глубина обезуглероженного слоя средне- и ■высокоуглеродистых сталей, снижается уровень механических свойств.

Внедрение термомеханической обработки (ТМО) в технологичес-. кий процесс изготовления высокоточных профилей во многом позволяет решить задачу улучшения качества ФПВТ и расширить возможности производства. Совместное использование скоростных способов нагре-' ва, горячей пластической деформации и регламентированного охлаждения является актуальной задачей, решение которой может привести к „ сокращению длительности и улучшению качества сфероидизирующей обработки.

Цель работы. Исследование и разработка новых технологий производства фасонных профилей высокой точности малого поперечного сечения с использованием ТМО и скоростных методов нагрева для получения регламентированной структуры и заданных показателей качества продукции.

Для'достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- к -

- разработать новые технологические схемы с использованием . ТМО и скоростных методов нагрева на основе анализа действующих технологий производства ФПВТ с малой площадью поперечного сечения;

- изучить процессы структурообразования в ходе горячей деформации и охлаждения для определения температурно-временных и деформационно-скоростных параметров ТМО широко применяемой конструкционной стали;

- установить закономерности формирования структуры и свойств при различных режимах ВТМО и разработать рекимы процессов производства ФПВТ;

- изучить закономерности влияния температуры, времени и скорости нагрева при скоростной электротермической обработке (СЭТО) на процессы сфероидизации цементита в цикле термомеханической обработки;

- создать промышленную технологию производства ФПВТ с малой площадью поперечного сечения (до 100 мм2) с использованием ТМО и СЭТО, обеспечивающую получение заданных механических свойств и структуры, при этом определить параметры и разработать конструкции устройств деформации, нагрева и охлавдения, позволяющих реализовать предложенную технологическую схему.

Научная новизна.

- Получены экспериментальные данные о механизмах и кинетике процессов структурообразования, построены карты структурных состояний (КСС) при горячей деформации и СЭТО конструкционной стали;

- Разработаны новые схемы производства фасонных профилей

/

высокой точности с использованием термомеханической обработки и скоростной электротермической обработки;

- Показана принципиальная возможность и оценена эффектив-

ность использования прерванных режимов СЭТО (отпуск или маятниковый кратковременный индукционный отжиг) для получения регламентированных структуры и свойств в цикле.ТМО конструкционных сталей.

Практическая ценность работы. Определены технологические режиуч ВТМО ФПВТ. Разработано техническое задание на проектирование и условиях металлургической промышленности непрерывных тер-мо-деформационных линий с использованием методов скоростного нагрева. Рассчитаны параметры установки ускоренного охлаждения и индукционных устройств для термообработки ФПВТ. Разработаны режимы ВТМО и СЭТО для производства профилей N 77, 24, 624, 625 сечением 15-30 мма из стали 65Г. Предложенный процесс реализован в условиях Череповецкого сталепрокатного завода. Получена опытная .партия металла, показатели качества которого не только полностью удовлетворяют ТУ, но и дают возможность ужесточения существующих требований. Повышены эксплуатационные характеристики профилей за ■ счет возрастания прочности стали на 15-20 % и получения однородной по сечению структуры. Улучшены экономические показатели производства: технологический цикл сокращен на 6 операций, время термической обработки уменьшено в 3-5 раз, потери металла в окалину снижены на 20-25 %, экономия электроэнергии составила 2800 кВт, защитного газа - 1400 мэ на одну тонну профиля.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации сделан доклады на научном семинаре "Термомеханическая обработка металлических материалов" (г. Москва, ЦРДЗ, 1992 г.), на научно-техническом семинаре на Череповецком сталепрокатном заводе (г. Череповец, 1994 г.), на научном семинаре "Термомеханическая обработка металлических материалов" (г. Москва, МИСиС, 1994'г.) Основное содержание диссертации опубликовано в 4 печатных работах.

_ - б -

Поданы 2 заявки и. получены положительные решения ВНЖГПЭ на ввда- ■ чу патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы ( '/'/У наименований) и приложения, изложена на страницах машинописного текста,

содержит 39 иллюстраций, 2.0 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В главе _1 приведен анализ технологии производства и показателей качества фасонных профилей высокой точности с малой площадью' поперечного сечения (до 100 мм3) и анализ литературных данных по результатам применения термомеханиче'ской и электротермической обработки для производства проката заданного качества.

Требования к показателям качества профилей высокой точности определяются конкретными условиями эксплуатации той детали, для изготовления которой они предназначены. Основными из них являются: конфигурация поперечного сечения, точность размеров, состояние поверхности,- глубина обезуглероженного слоя, структура и механические свойства.

На Череповецком сталепрокатном заводе к ряду профилей, поставляемых по ТУ 14-11-245-88 (сталь 65Г), предъявляются дополнительные требования: глубина обезуглероженного слоя - не более 0,05 мм на сторону; предел прочности при испытании профиля на растяжение - 650-1050 МПа; относительное удлинение - не менее 5 %; структура зернистого перлита, балл 2 - 6 по ГОСТ 8233-85; качество поверхности по группе "Б" с глубиной залегания дефектов на величину поля допуска на размер. Существующая технология производства' фасонных профилей N 24, 77, 624, 625 предусматривает золочение катанки

диаметром 6,5-8 мм, поставляемой Череповецким металлургически.! комбинатом в бунтах со стана 150, на стане ВСМ - 1/650, горячую прокатку на стане 300, сфероидизирующий отжиг в печи и заключительное волочение. Схема подготовки катанки перед волочением и проката перед отжигом включает пять операций: травление, горячую и холодную промывку, бурироваше и сушку.

Анализ показателей качества готовых профилей показал, что существующая технология позволяет получать требуемые ТУ структуру и.свойства продукции. Однако, ■ действующая технология является многоцикличной (включает повторяющиеся операции подготовки поверх. ности и холодной деформации), применение кислотного травления отрицательно влияет на экологическую обстановку. Узким местом .технологии является многочасовая термическая обработка, продолжи-4 .тельность которой достигает 40-50 часов. Из-за несоизмеримости

■ времени процессов прокатки и сфероидазирующего отжига последний нельзя включить в технологический поток производства профилей. ■Термическая обработка повышает энергоемкость производства, снижает производительность, Кроме того, при длительном отжиге, несмотря на применение защитной атмосферы, величина обезуглероженного

■ слоя увеличивается- на 0,01-0,02 мм, возникает опасность деформации мотков профилей с малой площадью поперечного сечения. Изучение структуры готовых профилей показало, что продолжительный отжиг не устраняет разноструктурность по сечению профилей.

Для*достижения поставленной цели можно использовать комбинированную схему процесса, включающую сочетание пластической деформации и термообработки в едином технологическом цикле, т.е. термомеханическую обработку. Такая- обработка приобрела в последние годы широкое распространение в связи с необходимостью повышения механических свойств массовых сортов стали, применяемых в современном машиностроении. ТМО ФПВТ с малой площадью поперечного сече-

ния имеет ряд особенностей, одной из которых является ухудшение • качества поверхности за счет длительного нагрева в- печах. . Поэтому, операции нагрева при ВТМО можно осуществлять токами высокой частоты в индукционных печах. Большая скорость нагрева и малое время нахождения металла при высоких температурах позволят снизить окзлинообразсвание, уменьшить величину обезуглероженного слоя. Применение скоростного нагрева в цикле обработки позволяет получить более выгодное сочетание механических свойств по сравнению с традиционным печным нагревом. Нагрев ТВЧ настолько изменяет структурное состояние обрабатываемой стали, что скоростную электротермическую обработку (СЭТО) в схеме ВТМО можно считать особым видом воздействия на металл.

Для разработки технологий производства необходимо провести ряд научных экспериментальных исследований:

- изучить возможности использования ТМО по различным 'схемам для получения заданных механических свойств и структуры для ФПВТ из конструкционных сталей;

- оценить границы применимости ТМО с использованием скоростного нагрева по геометрическим размерам профилей; .

- определить температурнот скоростные условия и степень высокотемпературной деформации;

- определить допустимые и рациональные параметры СЭТО;

- исследовать механизмы и кинетику процессов структурообразо-вания при горячей деформации и СЭТО, выяснить возможность ускорения сфероидизации цементита за счет совместного влияния скоростного индукционного нагрева и пластической деформации.

Для практического внедрения ТМО необходимо выбрать не только оптимальные параметры обработки, но разработать • технологическое оборудование, которое должно обеспечивать стабильность процесса и высокое качество проведения операций нагрева деформации и охлавде-

ния в едином технологическом потоке.

В главе 2 описаны материалы и ме.тоды исследования, использованные в работе. Исследования проведены на стали 65Г промышленного способа выплавки. Исходное состояние стали для экспериментальных исследований' - сорбитизированная катанка диаметром 8-12 мм, производимая на стане 150 ЧерМК. Объектом исследования служили фасонные профили N 77 и 24 VII и I группы сложности из стали 65Г, изготовленные по действующей и разработанной технологиям в условиях ЧСПЗ. Режимы и обозначения исследованных обработок приведены в ■ табл. 1 и табл. 2. Проведение экспериментальных исследований по предложенным методикам обеспечит решение поставленных задач.

.В главе 3 представлены результаты изучения закономерностей формирования структуры и свойств стали 65Г при горячей деформации. Диаграммы горячей деформации сжатием стали 65Г в координатах ■"истинная деформация - истинное напряжение" в исследованных условиях имеют характерный для аустенитного состояния вид. Изменение напряжения для процессов деформации на установившейся стадии под' • чцняется степенной- зависимости. Графически определенная энергия активации горячей деформации составила 320 кДж/моль. Вычислены коэффициенты степенного уравнения и показана удовлетворительная сходимость экспериментальных и расчетных данных. Температурно-ско-ростная бависимость максимального напряжения течения для стали . 65Г имеет вид:

In ff^ =0,8894 + 0,125 In ё + 4788,076 / Т

где £ - скорость деформации, с-1, Т - температура испытания, °К. ' Полученное эмпирическое уравнение можно использовать для оценки • сопротивления деформации стали 65Г и для расчета энерго-силовых

Режимы экспериментальных исследований.

Режим обработки

Используемое оборудование

Цель эксперимента

1. высокотемпературное сжатие. Температура аустенити-зации - 1100 С, температура испытаний^- 750-1100 иС с шагом 50 С, скорость.деформации - 0.1, 1, 5с. Охлаждение на воздухе и в воде."

2. Горячая прокатка. Температура аустенитизации - 1050

С, температура деформации -800-1050 °С с шагом 50 °С, степень деформации - 50%, скорость деформации -5с. Охлаждение на воздухе, в воде, в масле. Температура отпуска - 170-700 °С. Контрольная обработка - закалка с 800, 900 иС и отпуск.

3. Сфероидизиругаций откиг. Рекристаллизациоыный: температура 650, 680 С, выдержка 0.5-1 час. Ступенчатый: температура 680-650 С выдержка 1-3 часа. Маятниковый: в интервале температур 750-600 иС и 700-600 °С, 3 цикла по 0.5 часа.

4. Скоростная электротермическая обработка.

Закалка ТВЧЛ Скорость нагрева - 100 С/с, температура нагрева - 750-1000 °С, выдержка - 5 с. Охлаждение на воздухе и в воде. Отпуск и отжиг ТВЧ. Скорость нагрева -100 иС/с, температу ра нагрева - 480-750 иС, выдержка 2-60 с. Циклическая обработка: в интервале температур 750-600 иС, число циклов 1-3, выдержка 2-15 с.

Гидравлическая машина "SHENK РС 400 М" усилием 160 кН

Двухвалковый стан 230. Печь СНОЛ.

Печь СНОЛ.

Одновитковый кольцевой индуктор, 1=8 КГЦ U =400 В, Р = 50 кВт.

Построение диаграмм горячей деформации, карт структурных состояний.

Моделирование процессов ВТМО и регламентированной прокатки.

Выбор режимов ТМО, уточнение карт структурных состояний.

Изучение процессов сфероидизации. Выбор режимов отжига.

Исследование процесса сфероидизации при скоростном нагреве, построение карт структурных состояний, выбор режимов СЭТО.

Продолжение табл. 1

6. Промышленный эксперимент. N1: Горячая прокаткалпюфиля N 77 <Т = 720-740 °С; степень деформации 60%, охлаждение на воздухе и в воде). Сфероидизирующий отжиг в печи ( Т = 680-650

С, общая продолжительность 50 часов). СЭТО (Т = 750 °С продолжительность 10 с).

N2. Горячая прокатка профиля N 24 (Т = 720-740 °С, с = 60 %, охлаадение на воздухе). СЭТО (1-Зцикла в интервале температур 750-600 С, продолжительность цикла 5 с) ■

7. Дилатометрические исследования! .

8.Металлографический ана лиз.

9. Электронномикроскопичес-кий анализ.

10. Рентгеноструктурный анализ.

11. Механические испытания. Испытания на растяжение на 5-кратных образцах. Динамический изгиб образцов с У-образным надрезом. Измерение твердости.

Одноклетевой стан 300, проходная индукционная печь

Трехклетевой стан 165, проходная индукционная печь

Дилатометр БЬ-1500 ЙН-Р

ЫЕОРНОТ 21, ЕРЮиАМТ

ТЕБЬА ВБ 540, ПРЭМ-200

Дифрактометр ДРОН-2

Испытательная машина "0У-19" Маятниковый копер МК-30 Твердомеры ТК-2 ТП, ШТ-3.

Корректировка термодеформационных режимов. Проверка экспериментальных данных.

Выбор режимов ВТМО и СЭТО.

Оценка температурных интервалов и кинетики превращений.

Изучение влияния параметров горячей деформации на характеристики структуры.

Изучение структуры тонких фольг, количественный анализ карбидной фазы.

Оценка физического уширения линий, фазовый анализ.

Определение предела прочности,текучести, относительного удлинения, сужения, ударной вязкости, твердости.

Варианты-и обозначение исследованных комбинированных обработок

Вид заключительной термообработки

Способ предварительного нагрева Вид обработки после нагрева 1 Отпуск (отжиг) с печным нагревом 2 Отпуск (отжиг) с нагревом ТВЧ 3 Циклическая обработка с нагревом ТВЧ

1 1 ' Закалка 1.1.1 1.1.2 1.1.3

Нагрев в 2 Охлаждение на воздухе 1.2.2 1.2.3

печи 3

V 50 °С/мин ВТМО (деформация + закалка) 1.3.1 1.3.2 1.3.3

4 Регламентированная прокатка (охлаждение на воздухе) 1.4.1 1.4.2 1.4.3

2 1 Закалка 2.1.2 2.1.3

Нагрев токами 2 Охлаждение на воздухе 2.2.2 2.2.3

высокой 3

частоты V 100 °С/с ВТМО (деформация + закалка) 2.3.1 2.3.2

4 Регламентированная прокатка (охлаждение на воздухе) 2.4.1 2.4.2 2.4.3

параметров прокатки в достаточно широком диапазоне температур и скоростей деформации.

Изучение аустенитного зерна после деформации сжатием в интервале Тд = 850 - 1.100 °С и резкого охлаждения в воде показало, что на установившейся стадии при с = 0.7 зеро всегда равноосно, развивается процесб динамической рекристаллизации. Размер рекристал-лизовгнного зерна Dp увеличивается с повышением температуры деформации (при е = 5 с"1 значение Ер изменяется от 20.2 ± 1.0 мкм при Тд= 850 °С до 34.2 ± 1.4 мкм при Тд= 1100 °С) и уменьшается при увеличении скорости деформации (при Тд= 950 °С Ер уменьшается от 32.5 ± 2.1 при с = 10"а с-1 до 23.9 ± 1.5 мкм для ё = 5 с-1. Уравнение Зинера- Холломона для зеренной структуры имеет вид:

Бр-1 = а + в-logZ

' где а = -3.6-Ю-2; в = 0.25-10~а; Z - параметр Зинера-Холломона.

При температурах' ниже 850 °С сталь 65Г разупрочняется по смешанному механизму (то есть путем динамической рекристаллизации и динамической полигонизации). Построена карта структурных состояний во всем интервале допустимых для горячей прокатки температур, учитывающая структурные изменения в зависимости от температуры и скорости деформации..

• Величина обезуглероженного слоя в исследованных условиях: Тауст = 1100 °с* вы^вРжка 15 M™yr.. составила 0.05 ± 0.01 мм.

Механические свойства стали 65Г после различных режимов горячей деформации приведены в табл. 3. Предел прочности ов и предел текучести ст0 а повышаются с понижением Тд от 1050 до 800 °С на 12%. При этом возрастает ударная вязкость KCV (на 28%) и увеличиваются на 20% характеристики пластичности í и у (см. реж. 1 и 10 табл. 3). Максимальное, повышение комплекса свойств наблюдается в интервале температур 850-800 °С (реж. 7,8,10).

Механические свойства стали 65Г после горячей деформации прокаткой *

Температура деформации ТД,°С Охлаж дающая среда Температура отпуска, т0,°с Твердость, HRC V МПа Со,а- МПа KCV, МДж/мма S, % V. %

1.1050 ' вода 650 29,0 789 647 0,70 12,5 40,0

2.950 вода 650 29,0 820 673 0,72 15,5 40,5

3.950 масло 650 29,0 828 676 0,74 16,0 40,0

4.900 вода 650 29,0 833 710 0,78 16,5 42,5

5.900 масло 650 29,0 850 701 0,78 15,0 41,0

6.900 (КО) вода 650 28,0 799 653 0,74 14,0 36,0

7.850 вода 650 29,5 850 720 0,78 17,5 45,0

8.850 масло 650 29,5 854 723 0,82 17,0 43,0

9.850 (КО) вода 650 28,0 800 652 0,77 14,0 37,5

10.800 вода 650 29,5 880 740 0,90 20,0 48,5

11.1050 воздух - 29,5 862 503 0,17 14,0 39,0

12.950 воздух - 30,0 885 515 0,18 19,0 40,0

13.900 воздух - 30,0 874 524 0,18 14,0 42,0

14.900 воздух - 30,0 875 532 0,17 15,0 44,0

15.1050 (КО) воздух - 29,0 844 495 0,17 11,0 38,5

* Ошибки измерения величин составили:

АТ « ± 15 °С, А3. к АО „ ~ ± 30 Ша, AKCV * ± 0.025

13 0.2

№/MM2, Ai * Л? « ± 5 %.

КО - контрольная закалка

■Такой характер изменения свойств в целом соответствует структурным изменениям. Средний размер зерна аустенита уменьшается с понижением Тд и составляет при Тд= 1050 °С 40.7 ± 2.4 мкм, при Тд= 800 °С - 27.3 ± 1.2 мкм. Полученные результаты свидетельствуют о соответствии структуры после горячей прокатки КСС, построенной'для условий высокотемпературного сжатия.

Эффект ВТМО (одновременное повышение прочности и пластичности стали по сравнению с контрольной закалкой (КО)) возрастает с понижением Тд. При температуре деформации 800 °С прочность после ВТМО увеличивается на 10 % по сравнению с КО, KCV повышается на 15 %, a S и i¡> возрастают на 20-25 %.

В результате исследования влияния Тд на механические свойст-, ва стали 65Г после прокатки по регламентированным режимам с последующим охлаждением на воздухе (РП) установлено, что Тд практически не оказывает влияния на прочность стали 65Г (реж. 11-14 табл. 3). Пластичность и вязкость стали также остаются постоянными во всем исследованном интервале температур. Уровень значений ударной вязкости низкий, и не превышает 0,18 МДж/м2, что объясняется формированием грубой перлитной структуры. Доля избыточного феррита несколько увеличивается и составляет при Тд = 1050 °С 2-3 %, а при Тд = 800 °С - 5 %. Сравнительный анализ механических свойств стали 65Г после РП и ВТМО с высоким отпуском показал, что термомеханическая обработка повышает о„ . пластичность и вязкость стали

0,2

(см. табл. 3).

Результаты всех механических испытаний показали также, -что после ВТМО повышенные значения св и aQ а по сравнению с КО сохраняются во всем интервале температур отпуска (,Т0). Причем, после низкого отпуска образцов, подвергнутых КО наблюдается преждевременное хрупкое рззрушение, тогда как после ВТМО и низкого отпуска уровень механических свойств стали достаточно высок (cD = 2000

£3

МПа, ао<2 = 1750 МПа). Сталь 65Г после ВТМО обладает повышенной пластичностью и ударной вязкостью по сравнению с КО. КСУ и 5 при ВТМО Еыше на 10 Ж, а на 20 % во всем диапазоне Т0, это связано с измельчением мартенситных пакетов при ВТМО, некоторым повышением плотности дислокаций благодаря наследованию дефектов горячеде-формированного аустенита, и общим замедлением процессов структурного разупрочнения при отпуске.

Получены эмпирические зависимости, позволяющие оценивать механические свойства стали 65Г в исследованном диапазоне температур деформации и отпуска ( табл. 4). Все зависимости показывают удовлетворительную сходимость с результатами эксперимента.

Таким образом, в качестве упрочняющей обработки стали 65Г можно рекомендовать ВТМО со степенью горячей деформации порядка 50% при температуре 800-850 °С в сочетании с низкотемпературным отпуском при температуре 200 °С. Сочетание ВТМО с высокотемпературным отпуском можно применять в качестве разупрочняющей обработки вместо традиционного сфероидизирующего отжига, что позволит сократить время термообработки и повысить равномерность структуры по сечению.

В. главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований совместного влияния скоростного нагрева ТВЧ и пластической-деформации на процессы сфероидизации цементита в конструкционных сталях. СЭТО в работе называются все обработки, включающие нагрев токами высокой частоты.

Ускоряющее влияние пластической деформации на сфероидизацию при последующем нагреве общеизвестно. Ускоренное охлаждение после деформации или после отдельного нагрева (в т.ч. и закалка на мартенсит) значительно снижает продолжительность сфероидизации. Время заключительной обработки, необходимое для формирования структу-

- l'f -

Уравнения взаимосвязи параметров процесса горячей деформации и механических свойств стали 65Г

Обработка втмо Регламентированная прокатка

°о.а KCV s ч> 1145.40 - 0.34 • Тд 1253.40 - 0.В2 • Тд' 3.90 - 6.28 • 10'3 • Тд 80.83-0.12-Тд+53.30-10"6.Тда 248.83-0.42 • Тд+2.10 • 10" 4 • Тд2 959.80 - 0.10 • Тд 418.21+0.35.Тд-262Л8-10-6.Тд2 18.98 - 5.79 • 10"6 • Тда 45.68+0.01-Тд-17.93-10"6.Тда

ВТМО Контрольная обработка (закалка)

HRC ао.а KCV s V 73.89 - 0.07 • Т0 1587.4 - 1.12 • Т0 1377.4 - 1.02 • Т0 - 1.02 + 2.83 • 10"э ■ Т0 - 16.96 + 0.05 • Т0 3.645 + 0.061284 ■ Т0 81.88 - 0.09 • TQ 1524.3 - 1.0142 • Т0 1313.6 - 0.97 • Т0 - 1.0102 + 2.7329- 10_э • TQ - 14.44 + 0.04 • TQ - 1.886 + 0.057919 • TQ

Тд - температура деформации, °С;

Т0 - температура отпуска, °С;

ав, а0 3 - МПа; КСТ - ВДж/мм2; 6, <р - %.

ры зернистого (глобулярного) перлита (З.П) для режима 1.4.1 (см. табл. 2) составляет 3-5 часов, а для режима 1.3.1 - 1.5-2 часа при температуре 650 °С. Использование в качестве заключительной операции СЭТО позволяет еще более ускорить процессы отпуска и отжига, приводящие к сфероидизации карбидов. Для обработок 1.4.2 и 1.3.2 необходимо соответственно 1-5 и 0.5-1 минуты. Особенно эффективными являются режимы, включающие в качестве заключительной операции циклическую обработку с нагревом ТВЧ - маятниковый отжиг с кратковременной фазовой перекристаллизацией в интервале температур 750-600 °С. Такая обработка (1.1.3, 1.2.3, 1.3.3, 1.4.3) позволяет получить З.П 1-2 балла для различных . исходных структур (от мартенсита до пластинчатого перлита) за 2-3 цикла с суммарной продолжительностью 15-30 с. Самым эффективным средством сокращения сфероидизирупцей обработки является сочетание предварительного и заключительного скоростного нагрева ТВЧ с высокотемпературной пластической деформацией в едином цикле. Такая комбинированная обработка (2.3.2, 2.4.2) получать З.П в сталях 65Г и 45 за 10-15 с. Таким образом, по мере воздействия на сфероидизацию цементита исследованные факторы располагаются следующим образом (в порядке усиления влияния):

1) фазовый наклеп и структурная неоднородность, 2) деформационный наклеп, 3) совместное воздействие деформационного и фазового наклепа, структурной неоднородности.

Из-за малого времени СЭТО в стали протекает только процесс сфероидизации карбидов, но не успевает осуществиться их рост и коагуляция. Средний диаметр частиц составляет 0.2-0.4 мкм с коэффициентом формы 1.6-1.8, что соответствует ST.iI 1-2 балла ГОСТ 8233-85. Прочность конструкционных сталей после СЭТО по исследованным режимам на 15-20 % выше, чем. после традиционной термической обработки (многочасового отжига) за счет формирования более

дисперсной структуры. Равномерное распределение частиц в феррит-ной.матрице благоприятно влияет на поведение стали при обработке резанием и проведении операций чистовой вырубки. Для определения температурно-временных параметров СЭТО построены карты структурных состояний. Увеличения размеров карбидов можно достичь медленным охлаадением (термостатированием) в течение 30-40 минут. Предельно допустимый диаметр проката, в котором может быть обеспечена требуемая однородность структуры, определяемая градиентом температуры при нагреве ТВЧ или при охлаадении, для конструкционных сталей (стали 65Г и стали 45) составляет 20 мм.

Таим образом, использование в технологической схеме производства ФПВТ с малой площадью поперечного сечения сочетания ВТМО с , применением нагрева ТВЧ и кратковременной СЭТО позволяет повысить прочность и снизить величину обезуглароженного слоя на поверхности продукции, а также сократить время .сфероидизирующей обработки с нескольких часов до нескольких секунд.

В главе 5 приведено описание новой технологии производства ФПВТ с малой площадью поперечного сечения с использованием режимов ВТМО и СЭТО.

Технологическая схема производства фасонных профилей высокой точности в условиях непрерывной теро-дефорационной линии (НТДЛ) с использованием высокотемпературной комбинированной теромехани-ческой обработки включает нагрев со скоростью выше 50 °С в секунду до температуры от Ас1 до Ас3 + 200 °С; горячую прокатку со степенью деформации 45-80% при температуре конца прокатки для доэвтектоидных сталей выше межкритического интервала, а для эвтек-тоидных и заэвтектоидных сталей выше Ар1; ускоренное охлаждение и отпуск. Ускоренное охлавдение осуществляют с получением мартенсит-ной структуры или продуктов распада аустенита, а отпуск проводят

путем одно- или многократного циклического скоростного нагрева ТВЧ.

В состав НТДЯ должно входить следующее оборудование: разматы-ватель, обеспечивающий размотку бунтов; правильнозадающее устройство; индукционная нагревательная печь, обеспечивающая нагрев металла диаметром до 12 мм до температуры горячей деформации со скоростью 50-100 °С/с; непрерывный стан горячей прокатки (трехкле-тевой стан 165), обеспечивающий формирование необходимой конфигурации и точности-размеров профиля; установка ускоренного охлаждения, позволяющая охлаждать профили с заданной скоростью до заданных температур; многосекционная индукционная печь для СЭТО и моталки для смотки готового профиля в бунты. Рассчитаны деформационный, скоростной режимы и энергосиловые параметры прокатки фасонных профилей из конструкционных сталей нэ стане 165. Рэсчет на прочность и жесткость рабочей клети стана 165 показали, что напряжения в наиболее опасных в отношении прочности сечениях валка и станины значительно ниже допустимых, и что прокатка обеспечивает получение ФПВТ с требуемой точностью геометрических размеров.

Рассчитаны параметры установки ускоренного охлаждения, позволяющей проводить последеформзционноо охлаждение профилей со скоростями выше критических до температур 400-100 °С. Установка ускоренного охлаждения спроектирована с оборотным циклом водоснабжения. Регулирование скорости охлавдения производится за счет изменения скорости относительного движения металла от 0.2 до 1.5 м/с и регулированием расхода воды в системе.

Для получения в стали 65Г З.П балла 2-6 разработан скоростной режим циклической термообработки с-нагревом ТВЧ. Для обеспечения стабильной работы установки необходимы три генератора ВЧИ-100/0,07-ЗП. Между секциями индуктора производится охлаждение сжатым воздухом. Для увеличения размера карбидов предусмотрено

термостатирование в течение 30-40 минут при температуре 600-650

Опытно-промышленное опробование разработанной технологии на ряде ФПВТ с малой площадью поперечного сечения из стали 65Г в условиях ЧСПЗ показало, что предложенная технологическая схема с использованием ВТМО и СЭТО позволяет получить требуемый уровень прочности и заданный балл зернистого перлита профиля N 77 (табл. 5). При этом величина обезуглероженного слоя на поверхности профиля уменьшается вдвое. Благодаря скоростному нагреву металла уменьшается расходный коэффициент, т.к. процессы горячей деформации и терообработки ведутся практически без окалинообразования. Возможно также сужение допусков на размер.

Таблица 5

Механические свойства и параметры структуры фасонного профиля N 77

Режим обработки Твердость Временное Глубина Балл

после горячей НВ сопротивление обезугле- пер-

прокатки * разрыву, ов, роженного лита

- Н/мма слоя, мм -

Действующий 196,2 ± 59 772 ± 32 0.04 4-6

Разработанный 215,7 ± 32 841 ± 18 0.02 2-3**

* Действующий - охлаждение на воздухе + печной отжиг,

разработанный - ускоренное охлаждение + индукционный нагрев.

** Приведен балл перлита после термостатирования.

Повышенная дисперсность структуры приводит к некоторому возрастанию прочности стали профиля N 77 (см. табл. 5). Однако, твердость и временное сопротивление разрыву находятся в пределах требований соответствующих технических условий. Аналогичные результаты получены для профилей N 24, 624, 625.

В случае применения НТДЛ в производстве ФПВТ сечением до 100 мм а технологический цикл может быть сокращен. Отпадает необходимость операций подготовки поверхности и предварительного холодного волочения. Сочетание в едином технологическом цикле ВТМО и СЭТО дает сокращение длительности сфероидизирующего отжига в 3-5 раз.

ВЫВОДЫ

1. Проанализированы технологические схемы производства ФПВТ с площадью поперечного сечения до 100 мма. Характерным признаком производства является многоцикличность процесса, приводящая часто к' существенному ухудшению показателей качества. Действующая технология, позволяющая получать требуемые ТУ структуру и свойства профилей,'может быть унифицирована и сокращена. Предложен новый способ обработки конструкционных сталей на непрерывной термо-дефо-рмационной линии, включающий нагрев со скоростью выше 50. °С/с до температуры от АС1 до АСэ + 200 °С, горячую прокатку со степенью деформации 45-80 % при температуре конца прокатки выше Ап, ускоренное охлаждение и отпуск путем одно- или многократного скоростного нагрева токами высокой частоты.

2. Получены экспериментальные данные по кинетике процессов структурообразования при горячей деформации, закалке, а также разупрочнения при отпуске стали 65Г. Установлено, что в качестве упрочняющей обработки стали 65Г целесообразно применять • ВТМО со

степенью деформации 45-60 % при температуре 800-850 °С, закалкой и отпуском при температуре 200 °С. Проведение после ВТМО отпуска при температуре 650-700 °С позволяет получить высокопластичное состояние стали. В обоих случаях происходит повышение комплекса свойств на 15-20 % то сравнению с действующей термической обработкой.

3. Изучены процессы структурообразования и получены кинетические зависимости при СЭТО по различным схемам, построены КСС для выбора параметров сфероидизирующих термических и термомеханических обработок.

4. Установлено, что время обработки для получения сфероидизи-рованной структуры 1-2 балла при одинаковых температурных условиях деформации и заключительной обработки убывает в ряду: регламентированная прокатка + печной отжиг (3-5 часов), ВТМО + высокий отпуск в печи (1,5-2 часа), регламентированная прокатка + отжиг ТВЧ (1-3 мин), ВТМО + отпуск ТВЧ (15-30 с), регламентированная прокатка с нагревом ТВЧ + отжиг ТВЧ (10-15 с), ВТМО с нагревом ТВЧ + отпуск ТВЧ (2-5 с). Наиболее эффективными для получения однородной структуры зернистого перлита 1-2 балла профилей малого сечения являются комбинированные обработки, включающие скоростные способы нагрева, деформацию и термообработку с циклическим воздействием токами высокой частоты. Это позволяет избежать дополнительного обезуглероживания и проводить обработку в промышленных условиях на непрерывных термо-деформационных линиях (НТДЛ).

5. Ограничениями для применения СЭТО в качестве сфероидизиру-щей обработки являются: а) максимально достижимая величина карбидных частиц (балл перлита), 'которая для конструкционных сталей составляет 0.3-0.4 мкм (1-?. балл); б) размер поперечного соления проката, в котором может быть обеспечена требуемая однородность структуры, определяемая градиентом температуры при индукционном

нагреве или при охлаждении, предельно допустимый диаметр для конструкционных сталей (стали 65Г и стали 45) составляет 20 мм, для ФПВТ сложной формы предельно допустимая площадь поперечного сечения составляет 100 мм2. Для увеличения балла зернистого перлита до 3-4 можно проводить термостатирование бунтовой стали в течение 30-40 минут при температуре 600-650 °С.

6. Разработано техническое задание на проектирование непрерывных термо-деформационных линий в условиях металлургического предприятия с использованием ВТМО и СЭТО. Рассчитаны параметры основных узлов НТДЛ: прокатного стана, установки ускоренного охлаждения, установки СЭТО.

7. В промышленных условиях реализован процесс производства ФПВТ с малой площадью поперечного сечения с применением ТМО и СЭТО. Получены опытные партии профилей N 24 и 77 из стали 65Г, показатели качества которых дают возможность ужесточения существующих требований ТУ. Разработанная технология обеспечивает получение заданной структуры и свойств, сокращает технологический цикл на 6 операций, уменьшает время термической обработки в 3-5 раз, позволяет снизить расход электроэнергии и защитного газа. •

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Урусова О.В., Добаткин C.B., Трусов В.А., Капуткина Л.М. Диаграммы горячей деформации стали 65Г. - В сб.: Материалы семинара "Термомеханическая обработка металлических материалов" - М., 1992, С. 35.

2. Капуткина Л.М., Трусов В.А., Урусова О.В. Эффективная технология производства фасонных профилей высокой точности. -Сталь, N 7, 1994 г., с 52-55.

3. Капуткина JI.M., ДоСаткин C.B., Казаков М.А., Голованенко Е.С., Урусова О.В. Деформационное упрочнение низко- и среднеугле-родистых конструкционных сталей. - В сб.: Те,з. докл. 13 Международной конференции "Физичекая прочность и пластичность металлов и сплавов" - Самара, 1992, с. 35-36.

4. Капуткина Л.М., Трусов В.А., Урусова О.В., Колгухина Е.Н.Нижегородов С.Ю. Использование совмещенных схем деформации и скоростного нагрева для производства ФПВТ с заданной структурой и свойствами. - В сб.: Тез. докл. научно-технического семинара "Термомеханическая обработка металлических материалов" - М., 1994, с. 29-30.

5. Заявка N 93058033/02. Капуткина Л.М., Трусов В.А., Урусова О.В. Способ термомеханической обработки стальных изделий. -Положительное решение ВНИИГПЭ на выдачу патента от 30. 12. 93.

6. Заявка N 93058032/02. Капуткина Л.М., Трусов В.А., Урусова О.В. Способ производства фасонных профилей высокой точности. -Положительное решение БНИИШ на выдачу патента от 30. 12. 93.

Московский Государственный институт стали и сплавов

Заказ_Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Типография 303 МИСиС, ул. Орджоникидзе 8/9.