Влияние патентирования на структуру и свойства стали

Процесс патентирования, как известно, заключается в нагреве стали до температур, соответствующих аустенитному состоянию, и охлаждении в расплавленных свинце или соли или в кипящем слое, которые охлаждают сталь до температур, отвечающих превращению переохлажденного аустенита в структуру типа тонкопластинчатого перлита (сорбита) при толщине пластинок цементита 20—40 нм (200—400 А) и феррита 100—200 нм (1000—2000 А). Такая структура обеспечивает возможность достижения высоких степеней обжатия при последующей холодной пластической деформации, особенно когда пластинки цементита в разных зернах сорбита после патентирования имеют общую ориентировку (текстура избыточных фаз), как это, в частности, происходит в процессе электротермической или электротермомеханической обработки. Тонкопластинчатый сорбит в отличие от пластинчатого перлита, получаемого при отжиге или нормализации, характеризуется склонностью не только к высокому упрочнению в результате деформации, но и к сохранению при этом повышенной пластичности и вязкости. В стали со структурой грубодифференцированного пластинчатого перлита, даже при значительно меньших обжатиях, чем в случае патентированной стали, происходит изгиб и разрушение цементитных пластинок. Это уменьшает рост упрочнения и, что наиболее существенно, снижает пластичность или, точнее, деформируемость стали.

Сталь, подвергаемую патентированию, нагревают в проходных муфельных печах с мазутным, газовым или электрическим обогревом, а также электроконтактным методом. Температуру нагрева углеродистой стали в печи можно вычислить из соотношения



где D — диаметр проволоки, мм; С — содержание углерода, %.

Минимальное время пребывания заготовки в печи рекомендуется равным:

тmin = 30 + 5D2 (для проволоки диаметром до 5 мм) и тmin = 30 + 5 D/D D2 (для проволоки диаметром < 5 мм).

Температура и время нагрева для патентирования легированной стали, естественно, отличаются от принятых для углеродистой.

Для получения высокого упрочнения в результате последующей холодной пластической деформации необходимо обеспечить достаточно равномерное строение сорбитной структуры, что обусловливает повышенную пластичность и деформируемость стали и, следовательно, возможность применения высоких обжатий. Это осуществимо только в том случае, когда аустенит, образующийся при нагреве, достаточно однороден по концентрации углерода. Именно поэтому температура нагрева для патентирования превышает принятую для обычных процессов термической обработки. Кроме того, в ряде случаев до патентирования для получения более однородной структуры выполняют высокотемпературную нормализацию, например для стали У9А при 1050° С 15 мин. В итоге после волочения патентированная сталь У9А, подвергнутая предварительной нормализации, при практически одинаковой прочности с обычно обработанной, т. е. без нормализации, отличается значительно более высокими пластичностью и вязкостью. Кроме того, применение нормализации почти вдвое повышает циклическую прочность (живучесть) проволоки, что связано с ростом как прочности, так и вязкости. Циклическая прочность, как указывает К.Д. Потемкин, будет высокой и в том случае, если после высокотемпературной нормализации выполнить холодную пластическую деформацию, а затем уже обычное патентирование и волочение. Значение предварительной высокотемпературной нормализации заключается в повышении характеристик пластичности и вязкости не только после волочения, но и после патентирования, что позволяет уменьшить число проходов при волочении за счет роста частных обжатий и таким образом повысить производительность.

Другой путь улучшения свойств патентированной стали — применение высокотемпературного (при 975—1050° С) и сверхвысокотемпературного (1100—1180° С) нагрева, что также позволяет повысить однородность структуры после патентирования и использовать сталь У12А вместо У9А.

Как указано в работе, в результате применения стали У12А и сверхвысокотемпературного патентирования и волочения с обжатием 96% предел прочности проволоки диаметром 0,36 мм составил 4120 Мн/м2 (420 кГ/мм2) при числе скручиваний 26, тогда как на проволоке диаметром 0,3 мм из стали У9А после обычного патентирования и волочения с тем же обжатием (-96%) предел прочности составил 3080 Мн/м2 (315 кГ/мм2), а число скручиваний было равно 30.

Дополнительное повышение некоторых механических свойств патентированной пружинной стали может быть достигнуто в результате изменения способа нагрева — перехода от печного к электроконтактному. По данным, электроконтактный нагрев, нашедший промышленное применение, дает значительные техникоэкономические преимущества: патентировочные установки с непосредственным электронагревом по сравнению с печами сокращают время нагрева, обеспечивают высокий к. п. д., занимают меньшую производственную площадь, позволяют создать единый поток с оборудованием для подготовки проволоки к волочению; кроме того, в них легче создать защитную среду для нагрева. Применение электронагрева благодаря измельчению зерна и субструктуры, а также неоднородному распределению углерода в аустените, примерно в 1,5 раза ускоряет его превращение в патентировочной ванне и тем самым сокращает время осуществления всей операции. Кроме того, при использовании электронагрева устраняется подстуживание проволоки на пути ее из печи нагрева в ванну.

Используя электронагрев и регулируя скорость и температуру нагрева, можно получить аустенит различной степени однородности, которая зависит также от исходной структуры.

Если создать определенную аксиальную ориентированность исходной пластинчатой сорбитной структуры, например путем холодной пластической деформации, то в результате последующего скоростного электроконтактного нагрева (электротермообработка) можно получить аустенит с таким же образом ориентированной концентрационной неоднородностью, распад которого в патентировочной ванне, как показано в работе, приведет к возникновению сорбита с ориентированным расположением вдоль оси проволоки цементитных пластинок. Эта ориентированность структуры сорбита способствует более равномерному развитию процессов пластической деформации, что позволяет достигнуть высоких степеней обжатия, а потому и высокого упрочнения при последующем холодном волочении.

Механические свойства стали после патентирования с электроконтактным нагревом, как показано в работе на примере стали У9А, не уступают достигнутым при обычном печном нагреве. Кроме того, прочность на разрыв проволоки с узлом, характеризующая вязкость стали, после электроконтактного нагрева при 1000° С со скоростью 1100 град/сек выше. Более высокие значения имеет и усталостная прочность. Применение электроконтактного нагрева повышает прочность стали, а также стабильность свойств и их равномерность в пределах бунта и партий металла.

Как указывалось выше, структура проволоки после патентирования должна быть равномерной сорбитной по всему сечению. При выборе температуры превращения переохлажденного аустенита в верхнем интервале учитывают, что с ее понижением упрочнение стали сначала растет, а затем снижается при достижении температурной области, близкой к области образования верхнего бейнита. После холодной пластической деформации сталь приобретает максимальное упрочнение только в том случае, если температура превращения переохлажденного аустенита в структуры эвтектоидного типа также обеспечивает достижение наибольшего упрочнения. Эта оптимальная температура изотермического превращения аустенита при патентировании зависит от состава стали, в частности, от содержания углерода и диаметра проволоки. С ростом содержания углерода температура патентирования повышается (табл. 2). С увеличением диаметра проволоки вследствие замедления охлаждения и локального повышения температуры ванны в месте входа проволоки возникает все возрастающая опасность распада аустенита при охлаждении в области температур, соответствующих образованию грубодифференцированных структур. Это ведет к ухудшению всего комплекса механических свойств после патентирования и дальнейшего волочения. Поэтому чем больше диаметр проволоки, тем ниже температуры патентировочных ванн. Продолжительность выдержки при патентировании определяется скоростью отвода тепла от проволоки в глубь ванны и временем распада переохлажденного аустенита. Поэтому указанная выдержка зависит от диаметра проволоки и в меньшей степени от состава углеродистой стали.

Патентирование производят в соляных или свинцовых ваннах, иногда в расплавленном цинке, а в последнее время — также и в кипящем слое. Поскольку охлаждающая способность расплавленного свинца заметно больше, чем расплавленной соли, то и процесс превращения аустенита в первой среде проходит в более изотермических условиях, чем во второй. Поэтому для повышения скорости охлаждения температуру соляных ванн поддерживают на 30—40 град ниже, чем свинцовых. Увеличение охлаждающей способности может быть также достигнуто повышением скорости перемещения проволоки в ванне или при движении расплава, но последнее требует применения сложного и дорогостоящего оборудования. Можно, наконец, выполнять и двухступенчатое охлаждение проволоки — сначала в низкотемпературной ванне для переохлаждения аустенита, а затем в высокотемпературной — для его изотермического превращения. Однако если распад аустенита частично произойдет в первой ванне, то структура стали окажется неоднородной и пластичность будет сниженной.

Весьма перспективно применение для охлаждения кипящего (псевдоожиженного) слоя. Охлаждающая способность этой среды при равных температурах намного меньше, чем расплавленного свинца или соли, но благодаря более низким температурам ее нагрева и турбулентному движению можно получить скорость охлаждения, соответствующую практически изотермическому превращению аустенита в тонкопластинчатый сорбит. Кроме того, в случае кипящего слоя не наблюдается местного разогрева, который в свинцовых или селитровых ваннах, по данным, при патентировании проволоки большого диаметра (7 мм) достигает 50—60° С. Таким образом, практически устраняется неизотермичность превращения. В результате появляется возможность проводить патентирование проволоки большого диаметра, что расширяет сортамент высокопрочной проволоки. В частности, в работе указывается на патентирование в кипящем слое проволоки из стали 70С2ХА диаметром 8 мм и из стали 60С2 диаметром 12 мм. После охлаждения в кипящем слое механические свойства стали не только не уступают свойствам, получаемым после патентирования в свинце или селитре, но даже превосходят их.

Этот вывод подтвержден не только лабораторными, но и заводскими данными на полупромышленной установке Белорецкого сталепроволочного комбината. Патентированию подвергали стали У8А, У9А и ВК70 (0,69% С; 0,47% Mn и 0,28% Si). Проволоку в этой установке нагревали в электропечи до 920—930° С, а затем охлаждали в кипящем слое, состоящем из частиц электрокорунда диаметром 60 мкм, насыпанных на решетку слоем в 250 мм и приведенным в движение воздухом давлением 680 кн/м2 (6,8 кГ/см2).

Свойства стали У8А (проволока диаметром 5,2 мм) после патентирования в кипящем слое с температурой 60° С при скорости движения проволоки 1,5 м/мин были следующими: ов = 1305 — 1335 Мн/м2 (133—135 кГ/мм2), b = 6% и w = 32%, а после патентирования в селитровой ванне (480° С) — ов = 1235—1245 Мн/м2 (126—127 кГ/мм2), b = 6% и ф = 25%.

После холодного волочения предварительно патентированной в кипящем слое проволоки на диаметр 2 мм (обжатие 85,2% за 10 проходов) ее свойства достигли следующих значений: ов = 2400 Мн/м2 (245 кГ/мм2), число перегибов 10 и число скручиваний 30—33.

После аналогичной деформации проволока, предварительно патентированная в селитровой ванне, имела более низкие свойства: ов = 2170—2190 Мн/м2 (221—223 кГ/мм2), число перегибов 10—12 и число скручиваний 33—40. Сравнение свойств проволоки из стали У9А после патентирования в кипящем слое и в свинцовой ванне также показывает несомненные преимущества первого способа охлаждения.

Таким образом, и после патентирования, и после холодной пластической деформации прочностные свойства опробованных марок стали при использовании кипящего слоя выше, чем после патентирования в обычных условиях, т. е. в ваннах. Если учесть улучшение свойств стальной проволоки, уменьшение расхода солей и свинца, устранение неизотермичности превращения, а также уменьшение размеров производственных площадей, то преимущества патентирования с применением кипящего слоя становятся вполне очевидными.

Структурные процессы, приводящие к получению той же структуры сорбита, что и при обычном патентировании, могут быть достигнуты в результате применения нового способа охлаждения переохлажденного аустенита во время проведения электротермо-механической обработки (ЭТМО), предложенной И.Н. Кидиным и А.Н. Маршалкиным. При этом способе обработки проволока сначала с большой скоростью (~400 град/сек) нагревается электроконтактным методом до аустенитного состояния, а затем в ручьевых валках деформируется (оптимальная степень обжатия ~40%) и охлаждается. Скорость охлаждения за счет контакта с холодными валками на поверхности проволоки достигает 5000 град/сек, а в ее середине 1500 град/сек. По выходе из валков температура по сечению выравнивается и достигает 450—550° С, т. е. соответствует области превращения переохлажденного аустенита в сорбит, как и при обычном патентировании. Однако скорость этого превращения в ЭТМО выше, поскольку исходный аустенит был подвергнут пластической деформации. После патентирования в указанных условиях сталь обладает более высокой прочностью [ов = 1350 Мн/м2 (138 кГ/мм2)], чем после обычного патентирования [(ов = 980 Мн/м2 (100 кГ/мм2)], поскольку получаемая структура сорбита более дисперсна, а его субструктура измельченная. Кроме высокой дисперсности, структура сорбита характеризуется определенной ориентацией цементитных пластин и аксиальной текстурой феррита. В итоге сталь может быть подвергнута холодной пластической деформации с большим обжатием, чем после обычного патентирования. После деформации с равным обжатием (80%) сталь, подвергнутая ЭТМО, приобрела прочность ов = 2640 Мн/м2 (270 кГ/мм2), тогда как после обычного патентирования предел прочности был равен 1660 Мн/м2 (170 кГ/мм2).