автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка научных основ технологий, совмещающих деформацию и термическую обработку полуфабриката из конструкционных сталей, с использованием диффузионных превращений

ДОНЕЦКИЙ политехнический институт

На правах рукописи

ГОРБАТЕЙ КО Владимир Петрович

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИЙ, СОВМЕЩАЮЩИХ ДЕФОРМАЦИЮ И ТЕРМИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ ПОЛУФАБРИКАТА ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФФУЗИОННЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Специальность 05.16.0) —«Металловедение и термическая обработка металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ДОНЕЦК — 1992

Работа выполнена в Донецкой политехническом инотитуте

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Баранов Александр Александрович

Официальные оппоненты:

- академик АИН Украины, член-корреспондент Международной Инженерной Академии, доктрр технических наук, профессор Большаков Владимир Иванович;

- Заслуженный деятель науки Украины, доктор технических наук, професоор Дьяченко Светлана Степановна;

- доктор технических наук, профессор Ткаченсо Федор Константинович.

Ведуцая организация - Институт черной металлургии АН Украины.

Защита состоится " 25" фё&ШлЛ 1993 года

- 10 часов 00 минут на заоеДании специализированного совета Д 066.20,01 в Донецком политехническом инотитуте; адрес: 340000, г. Донецк, ул. Артема, 58, 5-И учебный корпус, аудитория 353.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого политехнического института.

Автореферат разослан "2В " 1992 года.

Ученый секретарь специализированном

совета Д 068.20.01 . 1_^.л£/**ГЯ7Троянокий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблемы. Разработка и внедрение прогрессивных малоотходных и ресурсосберегающих технологических процессов, повышение качества продукции за счет использования изделий с высоким комплексом свойств являются основными задачами эффвктивного развития металлургии и машиностроения. Решении этих задач опоооботвув! создание и широкое использование совмещенных технологий дефорнацион-но-термической обработки металлопродукции, разработка новых материалов, позволяющих обеспечить при этом получение наиболее ощутимого эффекта в технике.

В связи с этим представляется необходимым выполение исследований и анализ процессов формирования структуры и изменения комплекса свойств конструкционных сталей при'деформационно-тармичеокой обработке. Явления, происходящие при реализации совмещенных обработок, предусматривающих захалку на мартенсит, изучены более детально, в отличие от процессов струкгурообразоваыия в стали в случав диффузионных превращений. Внедрение технологий совмещенной де-формационно-термичвской обработки применительно к производству металлопродукции, являющейся полуфабрикатом для последующего изготовления изделий разными методами, являетоя одним из перспективных направлений в развитии металлообработки.

Научно-исследовательские работы по данной теме проводились в рамках программ "Металл" Минчермата СССР и Минвуза СССР, Распоряжения Совета Министров СССР № 225^ от 15.11.1984г., отраслевых координационных планов Минчермета СССР и УССР, тематических планов Донецкого политехнического института.

Це.ль работы. Установление закономерностей и особенностей формирования структуры и свойств деформированных конструкционных сталей, претерпевающих преимущественно диффузионные превращения при нагреве и охлаждении, под влиянием изменения их состава и параметров предшествующей и непосредственной деформационно-термической обработки; создание на основе результатов выполненных исследований новых сталей и прогрессивных ресурсосберегающих оовмещенных технологий обработки сортового проката и заготовок деталей машин о требуемыми комплексом механических и технологических свойств и структурой.

На основании результатов выполненных исследований в дисоерта-ции изложены научно обоснованные технологические решения, разработки и реализация которых вносят значительный вклад в ускорение

научно-технического прогресса.

Научная новизна. Получены новые данные о структурных изменениях а аустените углеродистых и низколегированных сталей в зависимости от условий горячей пластической деформации прокаткой и ковкой, параметров нагрева н предшествующей деформационно-термической обработки.

Экспериментально .установлено, что при нагреве сталей с исходной Феррито-перлитной структурой может проявляться эффект структурной наследственности в форме образования крупного зерна аустенита с по-оледувщим его измельчением; явление отруктурной наследственности предложено использовать с целы) огрубления структуры наследственно-мелкозернистых сталей при предварительной термической обработке поковок и штамповок.

Установлено, что при подстуашвакии после высокотемпературного нагрева доэвтектоидных сталей может происходить укрупнение ауотенит-иого зерна, что оказывает влияние на структурные изменения, происходящие в горячедеформированном аустените.

Получены экспериментальные диаграммы динамической рекристаллизации горячекатаных конструкционных сталей о разным содержанием углерода и выполнен анализ структурных изменений в горячедеформированном аустените; повышение содержания углерода в доэвтектоидных •талях ускоряет динамическую рекристаллизации аустенита; различая в кинетике этих процессов в сталях разного оостава уменьшается с повышением степени горячей деформации.

Установлено, что горячая пластическая деформация опособствует увеличение относительной глубины обезуглероженного и цементованного приповерхностного слоя стали; интенсифицирующее влияние горячей деформации на перенос углерода в стали усиливается с повышением степени, а при больших обжатиях - и о понижением температуры прокатки.

Установлено, что путем регламентации температурно-деформацион-иых режимов прокатки можно обеспечить как упрочнение, так в разуп-,рочненке средкеуглеродистых конструкционных сталей, что обусловлено преобладающим воздействием ха их овойотва изменения соотношения структурных составляющих в сравнении со степенью дисперсности структуры.

Обоснован« возможность повышения пластических свойств и способ?» нсста к осадке в холодном состоянии стали за очет ее легирования влммниеи в количествах 0,15...0,ЗС$; это, позволяет использовать подкат й! ааких сталей для изготовления методом холодной высадки (•мьооеы*. крепвАнах изделии с высоким комплексом механических

свойств с исключением при этом операций термической обработки у потребителя.

Получены и обобщены новые данные о характере и степени влияния условий предшествующей деформации в аустенитной и феррито-цементит-ной областях на структуру среднеуглеродистых сталей, формирующуюся непосредственно после такой обработки, а также в результате после-, дующей термической обработки с фазовой перекристаллизацией и отжига при субкритичэских температурах.

Проанализированы основные отличительные особенности диффузионного превращения переохлажденного аустенита конструкционных сталей при реализации совмещенных процессов деформации и термической обработки; обсуждены возможные причины и условия образования в деформированных доэвтектоидных сталях неоднородного по составу и строение квааиэвтектоида, структурно связанного феррита.

Обоснованы технологические параметры ряда совмещенных процесоов деформации и термической обработки конструкционных сталей: упрочняющей ВТМО с перлитным превращением сортового проката, разупрочняю-щей ГМО среднеуглеродистых сталей, деформационно-термической обработки бунтового подката для производства высокопрочных рвзьбовых крепежных изделий, ТМО заготовок валов на стане поперечно-клиновой прокатки, предварительной термомеханикотермической обработки поковок и штамповок из наследственно-мелкозернистых сталей.

Практическая значимость работы. Реализована возможность изготовления высокопрочных резьбовых крепежных изделий класса прочности 8.3 с исключением технологических операций офероидизирующего отжига подката и окончательной термической обработки - улучшения готовых изделий. Разработаны технические условия ТУ 11-1-'Ю11-85,1 по которым осуществлялась поставка подката из сталей о повышенным содержанием алюминия. Разработан метод оценки способности стали к осадке в холодном состоянии, позволяющий получить данные для прогнозирования ее технологических характеристик. Создан классификатор микроструктуры наследственно-мелкозернистых сталей для оценки и прогнозирования условий обрабатываемости заготовок резанием.

Рэализация результатов работы в промышленности. Результаты выполненных исследований явились основой разработки эффективных ресурсосберегающих технологий совмещенной деформационно-термической обработки сортового проката и заготовок деталей машин, новых стадий для изготовления резьбовых крепежных изделий с повышенным комплексом свойетв. Суммарный первичный годовой экономический эффект от внедрения указанных разработок составил 656 тнс.руб.

На защит/ выносятся следующие основные положения:

- установленные особенности структурных изменений в аустените доэвтектоидных стада» ори нагреве и горячей пластическая деформации: возможность проявления аффекта структурной наследственности ври нагреве стали с исходной феррито-пердитной структурой, явление укрупнения аустенитного зерна при подстуживании и деформации с небольшими обжатиями, характер влияния температуры и степени деформации прокаткой на кинетику процессов динамической рекристаллизации

* конструкционных сталях разного состава; закономерности воздействия параметров горячей деформации на перенос углерода в аустените;

- обоснование возможности реализации как упрочняющей, так и разупрочнявщей ВТМО с перлитным превращением проката из конструкционных сталей; анализ причин проявления ряда особенностей структуры доэвтектоидных сталей, обусловленных деформационно-термической обработкой: сложного характера изменения их структурных характеристик от параметров деформации, структурной неоднородности и формирования квазкэвтактоида переменного состава к отроения, образования структурно связанного феррита;

- закономерности влияния параметров предшествующей деформационно-термической .обработки на структуру и свойства доэвтектоидных сталей после термической обработки о реализацией диффузионных фазовых превращений; обоснование возможных направлений практического использования этого воздействия при предварительной термической обработке деформированных заготовок;

- разработанные ресурсосберегающие технологии деформационно-термической обработки заготовок деталей машин и сортового проката, в том числе подката из сталей с повышенным содержанием алюминия, предназначенного для изготовления резьбовых крепежных изделий методом холодной высадки.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы повышения качества металла" (г.Донецк, 1978г.), II Международной научной конференции Остравского горно-металлургического института (г.Острава, 1980г.), Международной конференции "Новые методы обработки стали давлением" (г.Брно, 1980г.), Республиканском саминаре "Проблемы повышения качества проката и новые процессы в его производстве" (г.Донецк, 1980г.), 1У Всесоюзной конференции "Химико-термическая обработка металлов и сплавов" (г.Минск, 1981г.) Всясовзной научно-технической конференции "Термическая и термома-

ханичвская обработка стали - важнейший резерв экономии металла" (г.Днепропетровск, 1981г.), III научно-технической конференции "Молодые ученые - научно-техническому прогрессу в металлургии" (г.Донецк, 1981г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Пути повышения конструктивной прочности металлов и сплавов" (г.Вильнюс, 1982г.), и Всесоюзной конференции по текстурам и рэкриоталлизации ь металлах и сплавах (г.Горький, 1983г.), Всесоюзном семинаре "Новое в металловедении и термической обработке металлов и оплавов" (г.Челябинск, 1983г.), II Всесоюзной научно-технической конференции "Новые стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (г.Запорожье, 1983г.), Республиканском семинаре "Термическая обработка стали и сплавов" (г.Киев, 1983г.), IX научно-технической конференции "Новая техника и технология в металлургическом и химическом производстве" (г.Череповец, 1983г.), Всесоюзной научног-технической конференции "Основные направления экономии и рационального использования металла в автотракторостроении" (г.Челябинск, 1984г.), II Всесоюзной конференции "Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки" (г.Днепропетровск, 1985г.), III Всесоюзной конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (г.Запорожье, 1986г.), Республиканском семинарэ "Новые достижения в области металловедения и термической обработки стали" (г.Киев, 1986г.), научно-технической конференции "Интенсификация производства и качества машиностроительной продукции за счет применения конйтрукци-онных сталей с улучшенными технологическими свойствами" (г.Челябинск, 1987г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки? (г.Днепропетровск, 1988г.), Всесоюзном семинаре "Термомеханическая обработка металлических материалов" (г.Москва, 1989г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение механических и эксплуатационных свойств сталей массового производства" (г.Москва, 1990г.), семинаре "Структура и свойства легированных сталей" (г.Киев, 1992г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского соотава Донецкого политэхяичэокого института (1979-1991 г.г.) и др.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 70 научных трудах, в том числе монографии, и защищены 7 авторскими свидетельствами. Список основных научных трудов приведен в автореферате.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, Ь разделен и заключения (общих выводов.); содержит 230 страниц машинописного текста, 87 рисунков, 69 таблиц и 2 приложения; список использованных источников включает 303 наименования.

ВШЯНЙВ ИСХОДНОЙ СТРУКТУРЫ, УСЛОВИЙ НАГРЕВА И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДВ ФОРМАЦИИ НА АУСТЯШТ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

При исследовании структурных изменений в аустените, происходящих при нагреве проката из конструкционных сталей с исходной ферри-то-перлитной структурой, выявлен ряд особенностей. Так, изученные весьма детально, например, в работах В.Д.Садовского с сотрудниками. эффект наследственного воостановления крупного зерна аустенита с последующим его измельчением, фиксируемый при сдвиговых иревра-цвниях, может проявляться и при нагреве сталей с исходно! феррито-пврлитной структурой.

- При подстуживании после высокотемпературного нагрева конструкционных сталей до определенных температур в ауствнитной облаоти происходит значительный (в 2...2,5 рава.) рост верна аустенита, сопровождающийся увеличением степени разнозернистооти структуры. При этом развиваются процессы собирательной рекристаллизации по механизму "рассыпания" сформировавшихся ранее зеренных границ. Наблюдаемые различия в размерах ауогенигных верен не уотраняются и под воздействием горячей пластической деформации с небольшими (до 15%) величинами обжатий.

Установлено, что снижение температуры предшествующе» горячей пластической деформации, в том числе и до прокатки при комнатной и субкритических температурах, способствует измельчению зерна аустенита конструкционных сталей с исходной феррито-иерлитной структурой при последующем нагрэве. Такой же эффект оказывает и реализа-' ция предварительного патентирования горячекатаной и хелоднодефор-миреванной среднеуглеродистой стали.

Предварительная холодная пластическая деформация неоднозначно влияет на структуру аустенита, формирующуюся при повторном нагреве. Под воздействием деформации с большими степенями (более 70...75%) нагрев до 860°С сталей с 0,35...О, №36 С вызывал формирование мелкозернистой структуры аустенита, но проявляющей тенденции к огрублению даже при выдержке в течение одного часа. Однако, в результате развития собирательной рекристаллизации при повышении температуры наг-

рева до 950°С зерне аустенита в тако* стали оказывается заметив крупнев, чем у предварительна патентированной. В случае предварительной холодней деформации с меньшими степенями нагрев до 860°С о выдержкой вт 15 до 60 мин. приводит к формировании относительно крупнозернистого аустенита, рекристаллизация которого по механизму образования и роста зародышей начинается при более высокой (900°С) температуре, что приводит к измельчению его структуры.■Собирательная же рекристаллизация аустенита в этом случае не завершается и при нагреве до 950°С, что способствует получению наиболее дисперсной его структуры в сравнении с другими вариантами предшествующей обработки. Предварительная деформация стали с феррито-перлитноа структурой при субкритических температурах способствует измельчению зерна аустенита при повторном нагреве в сравнении с аналогичной термической обработкой горячекатаного и холоднодеформированнвго металла

Алюминий оказывает тормозящее воздействие на рост зерна аустенита при нагреве, повышает температуру начала его интенсивного укрупнения. Наиболее заметное измельчение зерна аустенита под влиянием алюминия наблюдали с повышением его концентрации в стали до 0,25 ...0,30#. Это обусловлено не только действием "барьерного эффекта", но и влиянием растворенного в аустените алюминия, увеличивающего силы связи в кристаллической решетке.

Горячая пластическая деформация прокаткой о небольшими (до 153») степенями обжатия вызывает рост зерна ауотенита в сравнении с неде-формированным состоянием вследствие развития процесса рекристаллизации по механизму миграции участков большеугловых границ. Этот эффект усиливается о понижением температуры прокатки до 800...900вС. Повышение степени и температуры деформации конструкционных сталей способствует интенсификации процессов динамической рекристаллизации аустенита по механизму образования и роота зародышей рекристал-лизеванных зерен. Снижение температуры деформации ниже 1000°С может не обеспечить измельчения аустенитного зерна из-за сохранения в структуре стали крупных керекристаллязованных объемов аустенита и повторной деформации возникших в ходе динамической рекристаллизации новых зерен. По сравнению с высокотемпературной прокаткой в этом случае увеличивается число зародышей рекристаллизации, но тормозится их рост. В случае низкотемпературной прокатки с большими степенями обжатия на выходе из очага деформации формируется мелкозернистая структура ауотенита с преимущественно вытянутым зерном. Как и в случае горячей прокатки, повышение степени деформации при горячей ковке приводит к измельчению структуры ауотенита. Причем, этот эф-

Л

факт проявляется наиболее заметно при повышении степени деформации •т 25 до 50$.

На основе анализа экспериментальных данних, полученных при изменении в широких пределах температуры (1200...750°С) и степени деформации* прокаткой (0...75W построены диаграммы рекристаллизации низколегированных и . углеродистых сталей с различным содержанием углерода.

Повышение концентрации углерода в доэвтектоидных сталях способствует интенсификации процессов динамической рекристаллизации аус« тенита и увеличение среднего размера его верна» Причем, различия в размерах аустенитного зерна в сталях о разной концентрацией углерода снижается с увеличением степени деформации. При низкотемпературной (900°С и ниже) прокатке, когда рекристалливация развивавтоя лишь частично, влияние углерода на ее кинетику проявляется и через процессы выделения избыточней фазы. Наиболее сильно это воздействие заметно в заэвтектоидной стали, когда выделение вторичного цементита, интенсифицирующееся горячей деформацией, аффективно тормозит процессы рекристаллизации ауотеиита. В случае высокотемпературной прокатки степень измельчения структуры аустенита с увеличением числа пропусков повышается о ростом концентрации в стали углерода. При низкотемпературной прокатке с дробной деформацией влияние углерода оказывается обратным.

Исходя из поэтапного развития процессов перехода аустенита с повышенной плотностью дефектов атомно-кристаллического отроения в термодинамически более устойчивое состояние и о учетом исходного уровня его энергии, ее изменения на каждой ступени и энергетических затрат на такой переход проанализированы 5 возможных схем и уо-ловия развития процессов разупрочнения ауотенита.

ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА УГЛЕРОДА В СТАЛИ

На основе анализа результатов экспериментов, полученных при прокатке в широком интервале температур (1200...800°С.) и степеней обжатия (0...75Я» установлено интенсифицирующее воздействие горячей пластической деформации на перенос углерода в стали.

Повышение степени деформации при всех исследованных температурах способствует расширению общей глубины диффузионной аоны в предварительно цементованной стали. При этом И меняется и соотношение глубин слоев этой зоны о разной концентрацией углерода. Характер

воздействия степени деформации (£) изменяется в зависимости от еэ величины. При небольших деформациях (до 35...40%) общая глубина диффузионной зоны возрастает линейно от £ , что согласуется о эффектом "механической" диффузии (по Руоффу). Дальнейшее повышение £ приводит к реализации нелинейной зависимости с более сильным эффектом интенсификации переноса углерода в стали. Это обусловлено изменением термодинамической активности углерода, усилением вклада процессов образования и перемещения дефектов атомно-криоталлического отроения при деформации и рекристаллизации отали.

Характер влияния температуры деформации на глубину диффузионной зоны стали оказывается сложным. При степенях деформации до ...45$ глубина диффузионной зоны уменьшается с понижением температуры прокатки. При более выооких степенях деформации наблюдается тенденция к росту общей глубины диффузионной зоны с понижением температуры прокатки, например, от 1,5...1,55 мм при Тпр.»1200°С до 2,1...2,15 мм при Тпр.*800°С в случае деформации с £=70...73?. Это обусловлэно повышением плотности дефектов кристаллического отроения в аустеиите, формированием в нем развитой субзеренной структуры (диффузия по дислокационным трубкам), а также увеличением вклада зернограничной диффузии при измельчении зерна аустенита в отали.

Горячая пластическая деформация приводит и к развитию обезугле-роженного приповерхностного слоя отали. И в этом случае ее эффект усиливается о повышением отепэни деформации. Это дэлааг неэффективными традиционные методы борьбы с обезуглероживанием проката, за ибключенивм реставрационного науглероживания.

С учетом полученных результатов представляется перспективной реализация хкмикотермомеханичвской обработки горячвдвформированной стали с целью получения изделий с заданным составом поверхности, а также структурой и свойствами яо оеченив изделия. Ряд схем такой обработки, в частности, получение проката с цементованной поверхностью, реставрационного науглероживания, была опробованы в опытных условиях.

ЗАВИСИМОСТЬ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРОКАТА ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ОТ ПАРАМВТРОВ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ПОСЛЕ ДЕФОРМАЦИОННО ГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Деформационно-термическая обработка конотрукционных сталей о реализацией диффузионного распада аустенита являэтся весьма перспективной для большинства видов проката. Исследования в этой кал-

равлении базировались на том, что снижение температуры и повышение степени деформации должны приводить к измельчении структуры стали, прежде всего, зерна феррита, субструктурному упрочнению и, соответственно, повышению прочностных характеристик проката. Однако, анализ результатов, полученных нами на сталях марок Ст 3, Ст 5, 35, ^5, ЗЗГТ, 35ГС, низколегированных сталях о повышенным содержанием алюминия, в случав их деформации при температурах 1200...750°С со степенями обжатия 5...75? позволил сделать вывод о сложном характере изменения структуры и свойств конструкционных сталей от параметров прокатки.

Подбором параметров деформации ври послвдэформационном охлаждении на воздухе можно реализовать сак упрочняющую, так и разупроч-няюцув тармомеханическую обработку проката из конструкционных сталей с получением структуры феррито-цемеититного типа. Причем, максимальное упрочнение стали наблюдается в случае деформации при умеренных (950.. ЛШ0°С.) температурах с относительно невысокими величинами однократной деформации (до 15...25». Обнаруженный нами эф« фект разупрочнения проката реализуется после деформации при пониженных - 900...800°0 - температурах со степенями обжатия, в основном, 25...35? в зависимости от состава стали. Б этом случае в струк туре стали фиксировали максимальное количество структурно овободно-го феррита.

Эффект разупрочнения наиболее сильно выражен в низколегированных сталях с содержанием углерода до 0,4%, слабее ~ в углеродистых сталях. Его практическое использование целесообразно в тех олучаях, когда требуется ноотавка проката с гарантированным верхним уровнем твердости, чтобы избежать дополнительного смягчающего отжига продукции, что было реализовано при производстве прутков из рвосорно-иружинной ст?али 55G2.

Сложный характер изменения механических свойств проката от параметров горячей пластической деформации обусловлен особенностями распада ауствнита о разной структурой и суб^труктурой, конкурирующим воздействием таких факторов, как степень дисперсности и соот-ношоние структурных составляющих в стали. В среднеуглеродистых сталях преобладающим является эффект изменения доли структурных оос-тавлящих. Повышение степени деформации в пределах одной температуры прокатки способствует интенсификации диффузионного распада аустенита, увеличению доли структурно свободного феррита и повиша-, ни» степени дисперсности структуры, в основном, за счет измельчания пер/ятпнх участков и колоний и некоторого уменьшения среднего рпямера эпрнч <(.оррита.

Снижение температуры деформации ниже|000°С в большинстве случа-эв не приводит к измельчению зерна феррита в среднеуглеродиотых :талях, хотя и способствует измельчению перлитных участков. Более того, например, в стали ЗЗГГ, деформированной о обжатиями 35...55Í, наблюдали увеличение среднего размера ферритного зерна при понижении температуры прокатки от I100 до 800°С. Это обусловлено интенсификацией диффузионного распада мелкозернистого аустенита с повышенной энергией Гиббса.

Величина зерна аустенита, сформировавшегося к моменту начала его диффузионного превращения, сильнее влияет на размер перлитных участков в сравнении с воздействием на зерно феррита. В отличив от перлитного "зерна", не наблюдали прямой корреляционной зависимости размера ферритного зерна от поперечника исходного зерна аустенита.

Для обеспечения эффективного упрочнения конструкционной стали, сочетающегося с высоким уровнем ее пластичности и ударной вязкости, нами была разработана технология упрочняющей ВТО) с перлитным превращением, предусматривающая сочетание прокатки по регламентированным режимам о последеформационным регулируемым охлаждением. Эта технология была реализована при производстве проката периодического профиля из огалей ЗЗГГ, 35ГС и Ст 5пс в условиях Енакиевского металлургического завода, а также полосы из углеродистых сталей на Константиновском металлургическом заводе. Годовой экономический эффект от внедрения данной технологии составил 253 тыс.руб.

АНАЛИЗ ПРОЦВССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СТА1ЯХ ПРИ ДИФФУЗИОННОМ РАСПАДЕ АУСТЕНИТА

Сложный характер изменения структуры доэвтектоидных сталей при диффузионном превращении аустенита о различным уровнем энергии Гиббса нельзя обьяснить, привлекая лишь представления о повышении температуры начала его распада под влиянием повышенной плотности несовершенств отроения lf -фазы и увеличения числа возможных мест зарождения феррита, что должно было бы всегда приводить к измельчению структуры стали. -

Степень повышения температуры начала диффузионного JT-*-oC -превращения определяется не только величиной прироста энергии Гиббса-аустенита под влиянием горячей деформации,'либо предшествующей деформационно-термической обработки, но и степенью наследования при этом дефектов образующимся ферритом. Повышение энергии Гиббса ayo-

тенита сод влиянием измельчения его зерна и формирования развитой оубструктуры приводит как к увеличению числа возможных мест зарождения феррита, так и к уменьшению степени переохлаждения ауотенита и за счет этого - к возможному снижению скорости образования зародышей. Повышение температуры диффузионного -превращения, наряду о обсуждаемым ранее эффектом интенсификации процессов переноса углерода в горячедеформированном аустените, может обусловить увеличение окорости роста зародышей феррита. 6 зависимости от того, какой из рассматриваемых факторов оказывает преобладающее воздействие, может происходить как измельчение, так и укрупнение ферритного верна. Учитывая, что указанные выше факторы способствуют увеличению количества структурно свободного феррита в доэвтектоидных оталях, доста»очно просто объяснить причины того, что повышение доли феррита в структуре зачастую не сопровождается измельчением его зерна. Кроме того, снижение температуры горячей деформации может вызывать укрупнение ферритного зерна. При этом следует учитывать и возможное влияние процессов рекристаллизации в образующемся при более выоекой температуре феррите.при повышенной его доле в структуре. "Затормозить" процессы выделения отруктурно свободного феррита и измельчить отруктуру деформированной стали можно путем увеличения степени переохлаждения аустенита при последеформациоыном ускоренном охлаждении.

Следствием негомогеннооти аустенита о повышенной плотностью дефектов атомно-криоталлического отроения ярежде всего, по углероду, является проявление таких особенностей структуры деформированной стали, как отруктурно овободный феррит внутри перлитных учаот-ков, отруктурно свободный цементит, перлитная "оторочка" вокруг феррита.

Учаотки квазиэвтектоида в горячекатаной доэвтектоидной стали имеют неоднородное строение. У границ его учаотков перлит является более плотным, чем в образовавшихся позже микрообьемах. Внутри пер- лита обнаруживаются сравнительно крупные зерна феррита, четко оконтуренные зеренными границами. В то же время множество ферритных полей не имеют большеугловых границ, отделяющих их от плаотин феррита в перлите. Такой феррит предложено называть отруктурно свяаак-ным. Иногда наблвдаетоя "прорастание" отдельных цементитных плаотин и их "пакетов" в крупные масоивы феррита. Структурно связанный феррит может быть отделен от ферритных плаотин перлита оубграница-; ми, что наблюдали после низкотемпературной прокатки. Пластины цементита в процессе роста перлитной колонии искривляются и изменяют

свое направление, "выклиниваются", их силошность нарушается. Наблюдается утонение ценентитных пластин от периферия к центру колонии, "разрежение" квазиэвтектоида.

Обсуждаемый характер изменения строения перлита обусловлен изменением соотношения скоростей образования и роста зерен структурно свободного феррита и диффузионного перераспределения углерода в переохлажденном аустените. Образованию квазиэвтектоида переменного состава и строения способствуют интенсификация диффузионного -превращения и замедление либо малое изменение при этом скорости диффузиии углерода в аустените, укрупнение аустенитного зерна, сохранение его крупных нерекристаллизованных зон, снижение температурного интервала образования феррита. Наоборот, измельчение зерна аустенита вследствие развития процессов его рекристаллизации, ускорение диффузионного перераспределения углерода, интенсификация внутризеренного зарождения феррита в аустенитном зерне снижают степень неоднородности строения квазиэвтектоида.

Одной из особенностей отруктуры деформированной конструкционной стали является структурная неоднородность, в чаотнооти, ферри-то-перлитная полосчатость и образование перлитной "оторочки", которая зачастую не устраняется и в ходе последующей термической обработки. Это обусловлено негомогенностью аустенита с повышенной плотностью дефектов, его "расслоением" по углероду. При определенных условиях такое перераспределение углерода оказывается термодинамически выгодным. Оно должно сильнее проявляться о понижением содержания углерода в стали и увеличением различий в его концентрации в зонах, усиливаться при снижении температуры нагрева и деформации и замедлении охлаждения деформированной стали, повышении устойчивости атмосфер примесных атомов.

Рассмотрена классификация видов деформационно-термической обработки, основанная на типе фазовых превращений, и анализируются различные варианты такого воздействия в случае реализации диффузионных превращений.

ВЛИЯНИЕ СОВМЕЩЕННОЙ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ЛЕГИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕМ НА СТРУКТУРУ й СВОЙСТВА СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ВЫСАДКИ

Установлено, что при вводе в-углеродистые (0,20...0,35# С), а также низколегированные (до 2$ СЪ., Мп, БЬ) стали повышенного количества алюминия (до 0,95%) наблюдается экстремальный характер из-

менвния их свойств с минимумом б'т и максимумом пластических характеристик при его определенной концентрации в пределах 0,15...0,35$ в зависимости от состава сплава. В этом случав наблюдали и максимальное измельчение структуры стали.

В промышленных условиях выплавляли стали марок 20Ю, 20ЮТ, ЗОЮ, ЗОЮТ, ЗОГСО, 35Ю, 35ЮТ, (0,15.. .0,30$ А£). Из этих сталей изготавливали бунтовой подкат диаметром 10 мм (Енакиевский металлургический зазод) и 16 мм (комбинат "Криворожсталь"), предназначенный для изготовления резьбовых крепежных изделий, и катанку диаметром 6,5 мм (комбинат "Криворожоталь") для изготовления опицевой проволоки.

Прокат, изготовленный из сталей о повышенным содержанием алюминия, характеризуется повышенным уровнем пластических характеристик (на подкате диаметром 10 мм показатели V- не ниже 62/0, в большинства случаев - снижением соотношения бт/ба, более значительной способностью к осадке в холодном состоянии (группа осадки 66 и даже 75 в состоянии поставки при исключении операции абразивной зачистки заготовок) в сравнении с углеродистыми сталями массового производства.

Повышение комплекса свойств таких сталей обусловлено благоприятным влиянием алюминия прежде всего, в таких направлениях: -измельчение зерна аустенита при нагреве и в процеосе горячей пластической деформации и за счет этого - обеспечение мелкодисперсной конечной феррито-перлитной структуры стали (балл зерна в горячекатаном состоянии 8-9, а в ускоренно-охлажденном - £ 10-11); - повышение качества макроструктуры и поверхности заготовки и готового проката; уменьшение количества приповерхностных дефектов, "раскрывающихся" при холодной осадке;

-'уменьшение в 1.5...2 раза загрязненности стали сульфидами, оксидами и силикатами, измельчение включений избыточных фаз;

Количество нитридов алюминия, а в сталях, дополнительно содержащих титан - и нитридов титана, в этом случав может несколько возрастать; до 0,010...О,022$ мае. в сравнении с 0,010...О,015$ мае. в сталях 20, 30, 35. Однако, повышение содержания алюминия, а также добавки титана на оказывают отрицательного влияния на ударную вязкость стали. Нитриды алюминия не были выявлены даже на поверхности изломов стали в случае испытаний при температуре -40°С.

Изготовленный подкат из сталей с повышенным содержанием алюминия в условиях Волгоградского завода тракторных деталей и нормалей (ВЗТДН) и н обьеме ограниченных партий - на Дружковском метизном заводе использовали для изготовления резьбовых крепежных изделий

методом холодной высадки с исключением операции сфероидизирующвго отжига бунтов. При этом не наблюдали обрывов проката при волочении, повышенной отбраковки готовых изделий из-за трещин. Механические свойства калиброванной отали и готовых изделий, в том числе и пластические характеристики, соответствовали требованиям поставки и были более высокими, чем в изделиях из обычно применяемых углеродистых сталей, изготовленных по традиционной технологии.

В условиях Харцызского сталепроволочно-канатного завода из стали 35Ю (0,16...0.21% А1) изготавливали спицевую проволоку, из которой в высокопрочной состоянии делают опици с холодной высадкой их головок. Применение такой стали способствовало снижению отбраковки проволоки по результатам высадки головки спицы и исключению брака до механическим свойствам, испытаниям на изгиб и кручение.

Снижение температуры конца прокатки до 9ВД...960°С при производстве на непрерывном стане подката как из углеродистых сталей 30 и 35, так и из сталей с повышенным содержанием алюминия способствует повышению их пластических характеристик, временного сопротивления разрыву при некотором снижении предела текучести, увеличению "выхода годного" по результатам испытаний на осадку в холодном состоянии. Ускоренное последеформационное охлаждение проката, сочетающееся о регламентацией темжературных режимов прокатки, является весьма действенным технологическим фактором, способствующим повышению пластичности и способности к осадке в холодном состоянии вследствие уменьшения количества "раскрывающихся" при испытаниях поверхностных дефектов и снижения глубины обезуглероженного слоя. При этом в сталях с повышенным- содержанием алюминия благоприятное воздействие ускоренного последвформационного охлаждения на их пластичность и способность к осадке в холодном состоянии проявляется и в случав завершения прокатки при относительно высокой (980.. Л050°С) температуре.

Ускоренное последеформационное охлаждение подката из сталей с повышенным содержанием алюминия до 800°С и ниже способствует их упрочнению без значительного снижения пластических характеристик и способности к осадке в холодном оостоянии. Дополнительное упрочнение не подвергающегося сфероидизирующему отжигу подката в процессе калибровки позволяет производить из него методом холодной высадки высокопрочные резьбовые крепежные изделия класса прочности 8.8 о исключением упрочняющей термической обработки готовых изделий - закалки с высоким отпуском. Такие изделия - болты МЮхЮО, М10х120 из сталей марок ЗОЮ и ЗОЮТ и М16х120 из стали 35Ю - производились

на ВЗЩН взамен термически обрабатываемых изделий из стали 35. Хо-лоднодефориированные изделия из сталей с повышенным количеством алюминия можно дополнительно упрочнить термической обработкой с нагревом до температуры 300...450°С. .

Образование у поверхности проката диаметром 8...11 мм в результате ускоренного последеформационного охлаждения до пониженных температур тонкой зоны подкала является нежелательным из-за возможности возникновения внутренних кольцевых трещин. В то же время формирование более широкой (до 3 мм) зоны со структурой сорбита отпуска в прокате диаметром 16 мм из стали с повышенным содержанием алюминия способствовало не только упрочнению, но и повышению пластических характеристик в калиброванном состоянии без снижения ее способности к холодной осадке. При этом внутренние кольцевые трещины при холодной осадке образцов не возникали.

Годовой э-кономический эффект от внедрения технологии деформационно-термической обработки подката, предназначенного для холодной высадки, и новой стали с повышенным содержанием алвминия составил 301,6 тыс,руб.

Разработан и опробован в промышленных условиях количественный метод оценки способности стали к осадке в холодном состоянии, основанный на анализе и расчете'экспериментальных диаграмм сжатия образцов. Этот метод позволяет зафиксировать начальные стадии образования не только поверхностных, но и внутренних трещин, оценить реальный "запас пластичности" проката при холодной деформации и влияние структуры металла на способность к холодной осадке, получить достаточно простые уравнения, описывающие "поведение" стали на различных стадиях ее деформации, прогнозировать технологические свойства проката.

ВЛИЯНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕЙ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ СТАЛИ

Анализ результатов исследований; выполненных на среднеуглероди-стых конструкционных сталях, позволяет сделать вывод о том, что термическая обработка проката, основанная на реализации диффузионного фазового превращения, не может полностью устранить эффект предварительного деформационно-термического воздействия. Эти эффекты следует не только учитывать, но и по возможности использовать с целью придания стали требуемого комплекса свойств.

Снижение температуры предшествующей горячей прокатки (ГП) обеспечивает упрочнение отожженной и нормализованной стали 45, повышение ее ударной вязкости. Предшествующа« прокатка при субкритических температурах (ПСТ) вызывает дополнительное упрочнение и значительное повышение показателей ударной вязкооти, особенно при отрицательных температурах, в сравнении с предшествующей ГП. Эффект предшествующей холодной прокатки (ХП) в целом подобен влиянию ПСТ, однако, проявляется обычно слабее. В случае закалки о высоким отпуском реализация предшествующих ПСТ и ХП обеспечивает упрочнение и повышение пластических характеристик стали. Однако, лишь предшествующая ПСТ вызывает в этом случае повышение ударной вязкости и хладостойкооти стали.

Измельчение структуры стали и наследственное формирование развитой субзеронной структуры твердых растворов являются основными I причинами повышения комплекса ео свойств, прежде всего, ударной вязкости при отрицательных температурах, под влиянием снижения температуры предшествующей горячей деформации и прокатки в еубкритичес-кой области. Даже в отожженном прокате плотность дефектов кристаллического отроения в феррите в олучае предшествующих ПСТ и ХП оказывается более высокой в сравнении только о горячей прокаткой.

Прокатка при субкритических температурах доэвтектоидной стали о феррито-перлитной структурой со степенями обжатия, на превышающими 30£, обеспечивает лишь частичное развитие процессов динамической сфероидизации цементитной фазы. Ускорению процессов сфероидизации цементита, уменьшению числа участков перлита с преимущественно пла-отиночной его морфологией способствуют снижение температур нагрева и предшествующей горячей прокатки, реализация кратковременной изотермической выдержки после завершения .ПСТ. В случае последующего отжига при 560.,.680°С время изотермической выдержки, необходимое для завершения процессов сфероидизации цементита, уменьшается при снижении скорости охлаждения после ПСТ, температуры предшествующей горячей прокатки, повышении температуры термообработки.

Исследованиями, выполненными на сталях 35 и 35С (0,18...0,23$ А£), катанка из которых использовалась для изготовления спицевой проволоки (степень деформации при волочении 50....702 в зависимости от диаметра проволоки), установлено, что предшествующая холодная пластичеокая деформация волочением обеспечивает значительное упрочнение стали после повторного отжига и закалки с высоким отпуском без ощутимого снижения показателей пластичности, измельчение структуры отожженного и нормализованного металла в сравнении с предшест-

вувцими горячее деформацией и патентированием катанки. Предшествующее натентирование катанки, вследствие повышения степени однородности структура по сечению и в микрообъемах, способствует повышению пластических характеристик стали после отжига, нормализации и улучшения, хотя и не вызывает измельчения ее конечной структуры.

Сталь с повышенный содержанием алюминия имеет более высокие показатели пластичности практически после всех сравниваемых вариантов предшествующей и окончательной обработки, включая и сфероидизирую-щий отжиг. Это обусловлено измельчением исходной и образующейся в результате термической обработки структуры стали. Алюминий в конструкционной стали ускоряет процессы сфероидизации цементита при сфе-роидизирующем отжиге, однако, не интенсифицирует рост карбидных частиц при изотермической выдержке.

Повышение степени предшествующей холодной пластической деформации волочением приводит к разупрочнению и снижению пластичности стали после отжига и нормализации, а также и после улучшения. В случае кратковременной (15 мин.) аустенитизации повышение температуры нагрева в интервале 860...950°С далеко не всегда обеспечивает снижение пластических характеристик стали после отжига ^нормализации. В случае более значительной (60 мин.) выдержки повышение температур ры нагрева вызывает снижение пластичности и повышение прочности отожженной стали и разупрочнение при закалке с высоким отпуском.

Сравнительный анализ результатов испытаний и микроструктурных исследований при изготовлении на ХСПКЗ спицевой проволоки из стали 35 производства Белорусского металлургического завода по двум технологическим схемам: 1-е реализацией патентирования катанки, и 2 - с патентированием промежуточной холоднодефориированной заготовки - позволяет отдать предпочтение второму варианту. В этом случае несколько более высокая прочность готовой проволоки оочотается с повышенными ( V - на 8...10^) показателями его пластичности, что обусловлено формированием более дисперсной и однородной по сечению структуры стали, характеризующейся, однако," более высокой долой структурно свободного феррита.

Сложный характер изменения структуры и свойств термически обработанной сроднеуглеродиотой стали, которая подвергалась различной предшествующей деформационно-термической обработке, обусловлен обсуждаемыми ранее процессами структурных изменений в аустените, эффектами структурной наследственности при диффузионных фазовых прав-рещрнпях.

Послащу клей одинарной и повторной термической обработкой с пол-

ной фазовой перекристаллизацией не удается устранить и даче значительно снизить степень развития структурной полосчатости, образовавшейся на предыдущих этапах обработки стали, что, очевидно, также является одним из следствий проявления эффекта наследственности.

СОВМКИШйЕ ДВ$0РШШ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЗАГОТОВОК ДВТАВИ МАШИН

Создание и внедрение ресурсосберегающих технологий производства изделий с заданными свойствами в машиностроении при реализации ков» ки, штамповки, прокатки на специальных станах зачастую сдэржвваетоя возникавшими сложностями их последуюаей механической обработки. Поэтому эти проблемы следует решать в комплексе.

Применительно с производству заготовок валов на стане попврвч* ио-клиновой. прокатки после индукционного нагрева стали разработаны и внедрены 2 технологические схемы термомеханаческой обработки, являвшейся одновременно предварительной и окончательной обработкой изделий: регламентация температурных параметров деформации в сочетании с послэдеформационныи регулируеным охлаждением, обеспечивающая получение дисперсной феррито-перлитной структуры и реализуемая взамен нормализации, а также осуществление после заданных режимов про~ катки быстрого охлаждения о получением закаленного приповерхностного слоя требуемой глубины с последующим его самоотпуском, либо дополнительным высоким отпуском, выполняемое изамен улучшения относительно массивных заготовок. Реализация таких совмещенных технологий обработки заготовок обеспечила получение высокого комплекса свойств стали баз ухудшения условий последующей механической обработки.

Анализ данных о влиянии температуры индукционного нагрова под прокатку (Ю80...980°С) и окончания деформации (1050..,860°С) позволяет заключить, что при реализации рациональных температурных параметров процесса удается не только обеспечить повышенный уровень свойств готовых изделий, но и получить более равномерное по сечению и длине заготовок переменного профиля распределение твердости в сравнении с нормализацией изделий. В свази ао специфической схемой деформации заготовок на стане, когда деформация локализуется, в основном, в приповерхностной зоне, глубина которой уваличиьается с уменьшением сечения изделий сложной формы, важной проблемой, которая решается при реализации совмещенной обработки, является повышение степени однородности структуры стали.

Регулируя условия охлаждения поел» деформации (потоком воздуха,

водяными струями и в баке с охлаждающей жидкостью с выдержкой разной длительности - 10...60 с.) можно дополнительно воздействовать в широких пределах на структуру и свойства стали. В зависимости от режимов деформационно-термической обработки и требований, предъявляемых к готовым изделиям, было обеспечено получение структуры от преимущественно перлитной по всему сечению до мартенситной в сечениях заготовок диаметром до 60 мм. Это позволило отказаться от улучшения заготовок наиболее массивных валов как отдельной технологи-ческой_ операции.

При этом ТМО с самоотпуском закаленного приповерхностного слоя оказывается приемлемой при небольшой его относительной глубине Сне более 15...20% от диаметра заготовки). При большей глубине закаленного слоя и при сквозной прокаливаемости реализуется высокотемпературный отпуск стали. Причем, для обеспечения прочностных свойств стали после ТМО на уровне, близком к реализуемому после отдельной термической обработки, следует проводить отпуск при более высокой (на 50...80°С) температуре. Это обусловлено тем, что предшествуемая ТМО тормозит процессы разупрочнения стали при отпуске.

Внедрение разработанной тохнологии совмещенной деформационно-термической обработки заготовок валов позволило получить удельный экономический эффект в размере 15,5...18,5 руб./т. в зависимости от типоразмеров изделий.

Эффект структурной наследственности использован при разработке ресурсосберегающей технологии предварительной термомеханикотермиче-окой обработки горячедеформированных заготовок деталей машин из на-следственно-мелкозерниотой стала. Обычно изделия из таких сталей с целью огрубления их структуры для улучшения механической обрабатываемости подвергают предварительной термической обработке о нагревом до повышенных (950.. .980°С.) температур. Однако, по нашим данным, такая обработка не обеспечивает достижения поставленной цели.

Если поковки, штамповки после высокотемпературной горячей деформации ускоренно охладить со скоростью, обеспечивающей получение структуры бейнитного типа с повышенной плотностью дефектов кристаллического строения в с(.-фазе, то можно направленно воздейетеовать на процессы аустенитизации при повторном нагреве, а в результате этого - и на конечную феррито-перлитную структуру термически обработанной Стали. Нагрев ускоренно-охлажденных поковок и штамповок из стали 25ХГТ до 850...870°С обеспечивает получение крупного !*рна аустенита. В результате последующего диффузионного распада такого! аустпнита при охлаждении формируется более однородная в макро- и

микрообьемах фвррито-пврлитная структура, характеризующаяся пониженной (в 1,2...1,4 раза) долей структурно свободного феррита, наличием более крупных участков перлита (в 1,3...1,4 раза) и зерен феррита (в 1,1...1,3 раза) в сравнении с термической обработкой с реализацией высокотемпературного нагрева. Нагрев стали с исходной бейнитной структурой до более высоких температур приводи^ к измельчении ев строения. Причины такого характера изменения строения стали обусловлены рассмотренными ранее структурными изменениями в аус-тените в зависимости от предшествующей деформационно-термической обработки.

При изготовлении заготовок методом горячей раскатки после отдельного нагрева штамповок регламентацией условий охлаждения после раокаточного нагрева обеспечивается получение структуры и свойств стали 25ХГТ, превосходящих таковые, реализуемые при нормализации, что делает эту операцию нецелесообразной.

Снижение доли структурно свободного феррита и огрубление структуры отала при реализации термомеханикотермической обработки деформированных заготовок обеспечивает улучшение условий их механической обработки на различных технологических операциях, в том числе и при протягивании внутренних шлицев и зубопротягиваниа, которые зачастую являются лимитирующими стадиями изготовления изделий. Составляющая силы резания Рг при строгании снижается при этом на 8...12%, а высота микронвровностей на обработанной поверхности уменьшается на 1...2 мкм в сравнении с традиционной термичеокой обработкой.

На основе использования количественных характеристик структуры наследственно-мелкозернистой стала в связи с параметрами предварительной термомеханической и термической обработки заготовок разработан классификатор микроструктуры, предназначенный для прогнозной оценки условий механической обработки изделий.

Годовой экономический эффект от внедрения ресурсосберегающих технологий деформационно-термической обработки заготовок деталей машин составил 101,7 тыс.руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДИ

I. Структура и свойства конструкционных углеродистых и низколегированных сталей, претерпевающих диффузионные фазовые превращения, в значительной мере определяются не только лараметрами нагрева и горячей пластической деформации в аустенитном состоянии, но

и условиями предшествующей деформационно-термической обработки. На основе использования установленных закономерностей и особенностей процессов структурообраэования в деформированных сталях обоснованы рациональные технологические параметры совмещенных процессов деформации и термической обработки сортового проката и заготовок деталей машин, обеспечивающие получение структуры и комплекса свойств сплава, благоприятных для последующего передела полуфабрикатов в готовые изделия по различным технологическим схемам.

Экспериментально обнаружено явление наследственного формирования крупного зерна аустенита при нагреве проката из углеродистых и низколегированных сталей о исходной феррито-перлитной структурой с последующим его измельчением с повышением температуры, либо увеличением длительности выдержки. Предшествующая холодная пластическая деформация в зависимости от ее величины может вызывать как измельчение зэрна аустенита уже на ранних стадиях нагрева, так и способствовать сохранению в течение длительного времени относительно крупнозернистой его структуры. Предварительная прокатка при субкритических температурах способствует измельчению зерна ауотенита, образующегося при последующем нагреве. К такому эффекту приводит и снижение температуры предшествующей горячей деформации.

3. Установлено, что в аустенитв перегретой доэвтектоидной стали в результате подотуживания на воздухе и последующей кратковременной изотермической выдержки при 800. .Л000°С могут развиваться процессы рекристаллизации, приводящие к значительному укрупнению аустенитного зерна. Обусловленные этим различия в размерах зерна аустенита не устраняются и в результате горячей пластической деформации со степенями обжатия до 15%, вызывающей в свою очередь дополнительное огрубление структуры стали.

Выполнен анализ экспериментальных диаграмм динамической рекристаллизации и структурных изменений в аустените сталей различного состава в зависимости от параметров деформационно-термической обработки. Повышение концентрации углерода в доэвтектоидной стали способствует интенсификации процессов рекристаллизации ауотенита, однако, различия в размерах аустенитного зерна при этом снижаются о увеличением степени горячей деформации.

5. Горячая пластическая деформация способствует ускорению процессов переноса углерода в стали и увеличению относительной глубины как науглероженного, так и обезуГлероженного приповерхностных слоев. Ее интенсифицирующее воздействие усиливается с повышением степени деформации, а при больших обжатиях - и при снижении температуры процесса.

6. В зависимости от режимов горячей деформации можно обеспечить как упрочнение, так и разупрочнение доэвтектоидных сталей. Причем, эффект разупрочнения реализуется после деформации при пониженных температурах с определенными, зависящими от оостава стали, степенями обжатия, когда обеспечивается значительное увеличение в структуре сплава количества структурно свободного феррита. Снижение температуры и повышение степени горячей деформации не всегда обеспечивают измельчение зерна феррита в стали.

7. Сочетание прокатки по регламентированным режимам о последе-формационным регулируемым охлаждением является эффективным способом упрочняющей ВТМО с перлитным превращением сортового проката из конструкционных сталей, в том числе и не содержащих микродобавок сильных карбидо- и китридообразующих элементов, обеспечивающим получение и высоких показателей пластичности и ударной вязкооти.

8. Выполнен анализ особенностей процессов отруктурообразования при диффузионном распаде аустенита с повышенной плотностью дефектов атомно-криоталлического строения и возможных факторов, определяющих сложный характер изменения структуры и овойств конструкционных сталей. Образование неоднородного по строению квазиэвтектон-да, структурно связанного и структурно свободного феррита внутри перлитных участков, а также структурной неоднородности в доэвтектоидных сталях определяется условиями распада негомогенного ауо-тенита.

9. Снижение температуры горячей прокатки, реализация деформации при оубкритической и комнатной температурах способствуют измельчению структуры стали и повышению комплекса ее механических характеристик, особенно ударной вязкости при отрицательных температурах, в результате последующей термической обработки с полной фазовой перекристаллизацией. Степень сфероидизации цементита в стали, деформированной при субкритических температурах, возрастает в случав предшествующей низкотемпературной прокатки в ауотвнитной области. Кинетика процессов сфероидизации цементита и структурных изменений в феррите такой стали в ходе последующего отжига при оубкритнческих температурах зависит от условий предшествующей горячей деформации и режима охлаждения после прокатки.

10. Обоснована эффективность применения разработанных еталей с повышенным содержанием алюминия для изготовления подката, предназначенного для производства методом холодной висадки резьбовых крепежных изделий с высоким комплексом механических характеристик.

Эффект алюминия обусловлен его благоприятным воздействием на структуру литой, нагретой и деформированной стали, снижением степени ее загрязненности неметаллическими включениями, повышением качества поверхности проката.

11. Путем реализации совмещенных режимов деформации и термической обработки бунтового проката в сочетании с экономным легированием стали удается обеспечить получение комплекса его свойств, позволявшего реализовать ресурсосберегавщув технологив производства высокопрочных крепежных изделий класса прочности 8.8 с исклвчением операций предварительной (сфероидизирувщий отжиг проката) и окончательной (закалка с высоким отпуском изделий) термической обработки.

12. Применительно к производству заготовок валов нв гане поперечно-клиновой прокатки исследованы и реализованы две схемы предварительной, являвцейся одновременно и окончательной, термомеханической обработки: прокатка по регламентированным режимам с охлаждением воздушными струями для получения стали с дисперсной феррито-перлитной структурой и ТМО с охлаждением со скоростью выше критической в течение времени, необходимого для получения в приповерхностной зоне закаленного слоя требуемой глубины, с последующим высоким отпуском изделий.

13. Направленное воздействие на структуру горячедеформированно-го металла как средство управления процессами структуроо5разования при последующей предварительной термической обработке с диффузионным превращением реализовано применительно к заготовкам деталей машин из наследственно-мелкозернистой отали с целью улучшения усло^ вий механической обработки изделий при сокращении энергозатрат. Определены количественные характеристики структуры термически либо термомеханически обработанной стали, обеспечение которых позволяет прогнозировать удовлетворительные условия механической обработки заготовок на различных технологических операциях.

14. Реализация в промышленности разработанных ресурсосберегающих технологий деформационно-термической обработки сортового проката,

в том числе и подката, предназначенного для холодной высадки,.а также новых сталей о повышенным содержанием алюминия и технологических параметров их обработки для получения высокопрочных резьбовых крепежных изделий , обеспечила получение первичного годового экономического эффекта в размере 656 тнс.руб.

Содержание диссертации опубликовано в следующих основных работах

КНИГАХ И БРОШЮРАХ:

1. Проблемы совмещения горячей деформации и термической обработки стали/А.А.Баранов, А.А.Минаев, АЛ.Геллер, В.П.Горбатенко.-М.: Металлургия.-1985.-129с.

2. Контролируемая прокатка сортовой стали/В.И.Погоржельский, А.А.Минаев, В.А.Захаров, В.П.Горбатенко и др.//Обзор. инф./Ин-т "Черметинформация".-1981.-ЗЗс.

СТАТЬЯХ:

3. Баранов A.A., Горбатенко В.П., Гомля Л.В. О влиянии горячей деформации на науглероживание стали//МиТОМ.-1976.II.-С.63-6^.

4. Баранов A.A., Горбатенко В.П. О влиянии горячей пластической деформации на обезуглероживание стали // Изв.вузов. Черная металлургия.-1978.-» 6.-C.I03-I05.

5. Баранов A.A., Горбатенко В.П., Минаев A.A. Влияние темпвра-турно-деформационных параметров горячей прокатки на структуру оред-неуглеродистой стали // Изв.вузов. Черная металлургия.-1980.- & 8.-С.68-72.

6. Баранов A.A>t Горбатенко В.П. Рекристаллизация стали ЗЗГТ в процессе горячей деформации // Изв.вузов. Черная металлургия.-1980.-» 9.-С.118-119.

7. Об условиях формирования структуры зернистого перлита при горячей пластической деформации доэвтектоидной стали / А.1.Геллер,

A.А.Минаев, В.Г.Конарев, В.П.Горбатенко и др.// Изв.вузов. Черная металлургия.-1980.-)! I2.-C.76-80.

8. Особенности высокотемпературной тврмомеханической обработки оортового проката из малоуглеродистых сталей при изменении температурных режимов прокатки / А.А.Минаев, С.В.Устименко, А.Л.Геллер,

B.П.Горбатенко и др.// В кн.: Новые опособы обработки стали давлением.-Острава: Дом техники.-1980.-С.12-20. , /

9. Tez>nodynawLcke aspedy sbutciulvilch jwü pii рготенпуси ielinecb vdicovcutt pce£i /HXasai, ¿Авансу, AAtfina/eV, M.P. (joißaterko // HuttucJce ¿Шу. - Ш,- £.4. - ^Stt-m.

10. Баранов A.A., Горбатенко В.П., Минаев A.A. Влияние технологических параметров прокатки на структуру и свойства стали ЗЗГТ// В кн.: Термическая и термомоханическая обработка проката. Тематический отраслевой сборник.-М.: Металлургия.-1981.-С.27-30.

11. Влияние температуры и степени деформации на структуру и свойства среднеугдеродистой стали / А.А.Баранов, А.А.Минаев, В.П.Горбатенко и др.//Изв. АН СССР. Металлы.-1982.-» 2.-С. 123-127.

12. Баранов A.A., Горбатенко В.П., Кагтенберг С.А. Разупрочнение стали при регламентации режимов прокатки // Изв.вузов. Черная металлургия.-1983.-* 5.-C.I57.

13. Влияние условий последеформационного охлаждения после регламентированной прокатки на структуру и свойтсва среднеуглеродистой стали / А.А.Баранов, В.П.Горбатенко, А.А.Минаев и др.//Изв.вузов. Черная металлургия.-1983.-i 12.-0.74-78.

14. Вопроси совмещения деформации и термической обработки стали/

A.А.Баранов, А.А.Минаев, А.J1.Геллер, В.П.Горбатенко // В кн.: Термическая и термомеханическая обработка стали. Тематический сборник научных трудов.-М.: Металлургия.-I9Ö4.-С.31-35.

Ib. Влияние режимов прокатки и условий последеформационного охлаждения на структуру и свойства стали Ст 5пс / А.А.Баранов, В.П. Горбатенко, А.А.Минаев и др./' В кн.: Производство термически обработанного проката.-М.: Металлургия.-1986.-С.57-60.

16. Горбатенко В.П., Коваленко С.В. Экономнолегированная сталь для производства резьбового крепежа методом холодной высадки Ж Изв. вузов. Черная металлургия.-1986,-fc 10.-С.151.

17. Влияние ускоренного последеформационного охлаждения на качество сталей для изготовления высокопрочных метизов / А.А.Баранов,

B.П.Горбатенко, С.В.Коваленко, В.В.Пашинский f/Ъ кн.: Повышение качества термически обработанного проката.-М.: Металлургия.-1986.--

C.28-30.

18. Интенсификация упрочнения и разупрочнения металлопроката / А. А.Баранов, А.А.Минаев, А. Л.Геллер, В.П.Горбатенко // Сталь.-

1987.-* 2.-С.76-80.

19. Наследственные эффекты при термомеханической обработке углеродистой стали / А.А.Баранов, А,Л,Геллер, В.П.Горбатенко и др. // Изв.вузов. Черная металлургия.-1987.6.-С.69-72.

20. Горбатенко В.П., Каттенберг С,А. Структурообразование в стали при совмещении процессов горячей деформации и термической обработки // В кн.: Производство и свойства термически обработанного проката. Тематический сборник научных трудов,-М.: Металлургия.-

1988.-C.33-36.

21. Горбатенко В.П., Геллер А.Л., Кувичинская Л.А. Динамическая рекристаллизация углеродистой стали// Изв.вузов. Черная металлургия.-1988.-* 8.-С.152-153.

22. Дендритная структура стали с алюмннием / С.В.Коваленко, ВЛТ. Горбатенко, В.И.Кучкин и др.,//Изв.вузов. Черная металлургия.-1983.-№ II.-С.39-41.

23. Горбатенко Б.П., Коваленко C.B., Конарев В.Г. Влияние алвми-ния на неметаллическув фазу стали 35 // Изв.вузов. Черная металлур-гия.-1989.-№ З.-С.1^9.

¿4. Структурные изменения в сталях с повышенным содержанием алв-миния при субкритическом отжиге / С.И.Марчук, С.В.Коваленко, В.П. Горбатенко а др.//Изв.вузов. Черная металлургия.-1989.-)Н.-С.65-66.

25. Зависимость структуры и свойств горячекатаной среднеуглеро* диетой стали от параметров горячей деформации / В.П.Горбатенко,

А.Л.Геллер, Л.Э.Самойленко и др.// Металлургическая и горнорудная промышленность.-1989.-ï 3.—С.

26. Горбатенко В.П., Коваленко C.B., Деревянко -&.В. О влиянии алвминия на зерно аустенита низколегированных сталей // Изв.вузов. Черная металлургия.-1990.-* 8.-C.I0&-I09.

27. Механические свойства низколегированных сталей с повышенным содержанием алйминия / С.В.Коваленко, В.П.Горбатенко, В.И.Кучкин,

A.B.Велик // Изв.вузов. Черная металлургия.-I99I.JÉ З.-С.68-70.

28. Повышение качества стали для холодной высадки путем рационального ее легирования алвминием / А.А.Баранов, В.П.Горбатенко, С.В.Коваленко, В.Г.Конарев // Сталь.-I99I.-Ï 5.-С.68-72.

29. Горбатенко В.П., Коваленко C.B., Демидович A.B. Влияние повышенных количеств алвминия на структуру и свойства стали // В кн.: Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. Тез.докл. III Bcecons-ной конф.-Запорожье: ЗМИ.-1986.-С.58.

30. Влияние температурных параметров посяэдеформационного охлаждения на структуру и овойства подката и калиброванной стали 35/

B.П.Горбатенко, Ь.Г.Конарев, С.А.Каттенберг и др.//В кн.: Тез.докл. Всесовзной научно-техн.конф. "Повышение качества металлопроката путем термической и термокаханической обработки".-М.: Черметинформа-ЦИЯ.-1988.-С.26-27.

31. Влияние исходной структуры деформированной стали 35 на ее механические и технологические свойства посла термической обработки / В.П.Горбатенко, А.А.Баранов, В.В.Суханов, А.В.Демидович//В кн.: Тез.докл. Всесоюзной научно-техн.конф. "Повышение качества металлопроката путем термической и термоиеханичвекой обработки".-М.: Чврметинформация.-1988.-С.31.

32. Разупрочняюцая термомеханичэская обработка / А.А.Баранов,

B.П.Горбатенко, А.Л.Геллер, В.Г.Конарев//В кн.: Терномеханичвская обработка металлических материалов. Тез.докл.-Н.: МДНТП.-1939,-

C.52.

33. Горбатенко В.П., Коваленко C.B., Кучкин В.И. Немзтзлличес-

кая фаза низколегированных сталей с различным содержанием алюминия // В кн.: Совершенствование металлургической технологии в машиностроении. Тез.докл. I Всесоюзной научно-техн.конф.-Волгоград.-I990.-C.132-133.

34. Горбатенко В.П. Структурная наследственность в углеродистых и низколегированных сталщх с исходной феррито-перлитной структурой // В кн.: Структура и свойства легированных сталей. Тез.докл. семинара.-Киев: 1992.-С.17.

35. Горбатенко В.П., Конарев В.Г., Марчук С.И. Предварительная термомеханикотермическая обработка заготовок деталей машин из наследственно-мелкозернистых сталей // В кн.: Структура и свойства легированных сталей. Тез.докл. семинара.-Киев: I992.-C.I7-I8.

АВТОРСКИХ СВИДЕТЕЛЬСТВАХ:

36. A.c. 850699. Способ сфероидизирующей обработки стали/A.A. Баранов, С.П.Вфименко, А.А.Минаев, А.JI.Геллер, В.Л.Пилюшенко, В.П. Горбатенко и др. // Открытия. Изобретения.-I98I.-M 28.

37. A.c. 1006509. Способ изготовления проката / А.А.Баранов, A.A. Минаев, В.П.Горбатенко и др. I/ Открытия. Изобретения.-1983.II.

38. A.c. I07I648. Способ изготовления проката / А.А.Баранов, С.П.Ефименко, А.А.Минаев, А.Л.Геллер, В.П.Горбатенко и др.//Открытия. Изобретения.-1984.-* 5.

' 39. A.c. 1073334. Способ химикотермомеханической обработки «ро-¡сата / А.А.Баранов, В.П.Горбатенко, А.А.Минаев и др.// Открытия. Изобретения.-1984.6.

40. A.c. II35793. Сталь / А.А.Баранов, В.И.Горбатенко, А.А.Минаев,и др. ff Открытия. Изобретения.-1985.3.

41. A.c. II686I4. Способ сфероидизирующей обработки легированной стали / А.А.Баранов, А.А.Минаев, В.Л.Пилюшенко, АЛ.Геллер, В.П.Горбатенко и др. // Открытия. Изобретения.-1985.-№ 27.

4?. A.c. 1576575. Способ струйной закалки изделий/В.Н.Брвха-Ч9П, А.А.Баранов, В.П.Горбатенко и др. // Открытия. Изобретения.-1990.-* 25.

Мплн, в печатьбОХМ'/щ. Бумага 0%£ртОЪНИЧ-. Офсетная печать. >сл. печ. л. /,{13 . Усл. кр.-птт. -/, V . Уч.-изд. л. 5 , Тираж -ЛЗО экз. .V, д-сяя

Лонсцкип политехнический институт, 340000, Донецк, ул. Артема, 58.

ДМ1Ш, .110030, Донецк, ул. Артема, U6