Контролируемая прокатка низколегированных сталей

Низколегированные стали широко используют в различных областях промышленности: в строительстве, судостроении, для изготовления сосудов высокого давления и газопроводных труб большого диаметра. За последние 10—15 лет широкое развитие получили три основные группы низколегированных сталей: марганцовистые стали с карбонитридным упрочнением (до 0,2%С; до 1,5% Mn и совместные или раздельные микродобавки до 0,1% V и Nb); малоперлитные стали (до 0,1% С и до 2,0% Mn с добавками ванадия и ниобия); марганцевомолибденовые стали со структурой игольчатого феррита (до 0,08% С; до 2,0% Mn; до 0,10% Nb; до 0,5% Mo).

Критериями оценки качества сталей служат прочностные свойства (предел текучести, временное сопротивление), пластичность, ударная вязкость при пониженных температурах, положение порога хладноломкости, свариваемость, характеризуемая обычно величиной углеродного эквивалента (Cэкв = С + Mn/6 + Cr+Mo+V/5 + Ni+Cu/15). Как правило, изменение одного из перечисленных свойств при легировании влечет за собой изменение (часто нежелательное) остальных показателей. Так, повышение прочности при увеличении содержания углерода приводит к одновременному снижению пластичности, вязкости и ухудшению свариваемости. Уменьшение углеродного эквивалента с целью улучшения свариваемости приводит обычно к снижению прочностных свойств.

Контролируемая прокатка определяет одновременное повышение прочности, пластичности и вязкости стали. Поэтому контролируемая прокатка, являющаяся одной из разновидностей термомеханической обработки, представляет собой один из наиболее эффективных способов повышения качества низколегированных сталей, используемых в технике в состоянии поставки.

Получение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости в горячекатаном состоянии в результате контролируемой прокатки (которую можно рассматривать как высокотемпературную термомеханическую обработку низколегированных сталей) определяется общей фрагментацией (измельчением) структуры и дисперсионным упрочнением. Для этого понижают температуру нагрева под прокатку до 1050—1100°C (возможна контролируемая прокатка с обычным нагревом) и температуру конца прокатки до 750—850° С. Деформацию на заключительной стадии прокатки (три — пять последних пропусков) осуществляют с обжатиями 15— 20% за проход. Кроме того, при производстве рулонной стали регулируют скорость охлаждения полосы перед смоткой и температуру начала смотки. Конкретный выбор отдельных технологических параметров зависит от вида прокатного оборудования, состава стали, толщины проката, а также от требуемого уровня свойств.

Температура нагрева под прокатку определяет исходное (перед прокаткой) состояние стали. При нагреве под прокатку протекают два процесса: растворение карбонитридов и рост зерна аустенита. От степени растворения частиц избыточных фаз зависит величина зерна аустенита, начало интенсивного роста которого совпадает с температурой полного перехода карбонитридных фаз в твердый раствор. При изучении влияния температуры нагрева на величину зерна аустенита стали, содержащей 0,08% С и 1,4% Mn с раздельными и совместными добавками ванадия и ниобия, было показано, что при всех температурах нагрева наиболее крупное зерно наблюдалось у стали без этих добавок. Величина зерна уменьшилась при введении ванадия и в еще большей степени ниобия (рис. 250), что определяется известным тормозящим влиянием карбонитридных фаз, препятствующих миграции границ.

Температура нагрева под прокатку влияет также на размер ферритного зерна стали, охлажденной на спокойном воздухе, причем ферритное зерно всегда мельче, чем аустенитное (см. рис. 250). Понижение температуры нагрева под прокатку от 1200 до 1050° С способствует измельчению зерна феррита на 0,5—1 балл, что в конечном итоге повышает вязкость стали.

От величины температуры нагрева под прокатку зависит степень пересыщения твердого раствора и, следовательно, интенсивность последующего (при охлаждении) упрочнения феррита выделениями частиц второй фазы. Если при нагреве под прокатку не происходит полного перехода карбонитридов в твердый раствор, то нерастворившиеся частицы не оказывают упрочняющего действия на сталь. Установлено, что упрочняющее влияние оказывают частицы размером не более 50 А.

Так, при снижении температуры нагрева слябов из стали, содержащей 0,17% С; 1,37% Mn; 0,1% V, в методической печи с 1350 до 1150° С (прокатка на лист толщиной 11 мм заканчивалась при 810° С) прочность понизилась, а пластичность и ударная вязкость в результате неполного растворения карбонитридной фазы при нагреве до 1150° С несколько повысилась.

Влияние температуры нагрева под прокатку возрастает при увеличении содержания карбонитридобразующих элементов, особенно ниобия (рис. 251). Так, с повышением температуры нагрева под прокатку от 1050 до 1200° С стали, содержащей 0,08% С и 1,4 % Mn без добавок, прирост временного сопротивления составляет около 1 кгс/мм2, той же стали с 0,06% V 3 кгс/мм2, с 0,02 и 0,04% Nb 5—7 кгс/мм2, с 0,06% V и 0,04% Nb 9—12 кгс/мм2. Однако при снижении температуры нагрева в указанных пределах наблюдается повышение вязкости и снижение порога хладноломкости (Т50) у стали с ниобием и ванадием (на 15—25°).

Таким образом, для получения повышенных значений прочности стали, легированной ванадием или ниобием, контролируемую прокатку следует проводить с нагревом под деформацию до более высоких температур, так как в этих условиях максимально используется упрочняющее влияние карбонитридных фаз. Снижение температуры нагрева под прокатку (одновременно со снижением температуры конца прокатки) сталей с ниобием и ванадием целесообразно в тех случаях, когда требуется получить высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Условия деформации. Прокатка в черновых и большая часть пропусков в чистовых клетях осуществляются с максимально возможными обжатиями для обеспечения высокой производительности стана. Наибольшее внимание при контролируемой прокатке уделяется деформации в последних трех — пяти пропусках, когда при горячей обработке проходят процессы структурообразования (динамическая полигонизация или динамическая рекристаллизация), оказывающие решающее влияние на механические свойства готовой продукции. Важнейшими технологическими параметрами на этом этапе являются температура конца прокатки и величина обжатия.

Понижение температуры конца прокатки приводит к измельчению зерна аустенита перед у—>а-превращением и как следствие размера зерна феррита. На рис. 252 показано влияние понижения температуры конца прокатки от 980 до 700° С на монотонное снижение величины зерна феррита малоперлитных сталей с добавками ванадия и ниобия; одновременно существенно снизился порог хладноломкости T50. Ударная вязкость стали повышалась с понижением температуры конца прокатки до 880—800° С, а после деформации при более низкой температуре снижалась вследствие сильного повышения прочности в результате горячего наклепа.

Увеличение степени обжатия в последних пропусках влияет подобно понижению температуры конца прокатки, понижая переходную температуру хрупкого разрушения (рис. 253).

Выделение карбонитридной фазы в аустените при прокатке. Для низколегированных сталей экспериментально установлено существование области температур горячей прокатки (965—850° С), при которых в процессе деформации происходит выделение в аустените частиц карбонитридных фаз размером более 50—100 А. Такие крупные частицы не оказывают существенного упрочняющего влияния (см. выше), а уменьшение содержания ниобия в твердом растворе приводит к понижению прочности. При снижении температуры прокатки выделение карбонитридных фаз в ходе деформации лимитируется диффузией, однако в процессе охлаждения после прокатки происходит выделение большого числа весьма мелкодисперсных карбонитридных фаз, которые сильно упрочняют феррит. На рис. 254 показано, что снижение температуры конца прокатки от 1000 до 890° С сопровождается уменьшением прочности сталей с ниобием и мало влияет на прочность нелегированной стали. Дальнейшее снижение температуры конца прокатки вызывает повышение прочности стали, содержащей ниобий, связанное, как показали исследования, с выделением мелкодисперсной карбонитридной фазы, когерентно связанной с матрицей.

В производстве для достижения температур конца прокатки ниже 850° С подкат из сталей с ниобием опрыскивают водой или подстуживают на воздухе. Ускоренное охлаждение стали в аустенитном состоянии подавляет выделение карбонитридной фазы. После окончательной прокатки происходит выделение Nb (NC) и повышение предела текучести. Таким образом, максимальное значение предела текучести получают при дискретном режиме горячей деформации стали в двух температурных интервалах: черновая прокатка при 1200—1080° С, чистовая ниже 800° С. Спреерное охлаждение и отсутствие деформации в интервале температур 1080—850°С предотвращают выделение грубых частиц карбонитридов ниобия.

Влияние условий прокатки на превращение в стали. С понижением температуры прокатки до 850° С начало у—>а-превращения в низколегированной стали сначала повышается примерно на 100°C по сравнению с температурой прокатки при 1220° С, а далее вновь снижается (рис. 255). Это имеет большое значение для формирования структуры при прокатке, так как распад аустенита может происходить уже в процессе прокатки при низких температурах. Влияние термомеханической обработки на у—>а-превращение осложняется выделением карбонитридной фазы в процессе прокатки.

Температура смотки полосы в рулон. Одним из важных факторов при контролируемой прокатке широкополосной стали на непрерывных станах, влияющих на конечную структуру металла, является температура смотки полосы в рулон, определяющая, в частности, степень дисперсионного упрочнения и, следовательно, прочность, пластичность и вязкость стали. Показано, что вследствие различной скорости охлаждения в разных слоях рулона при распаде аустенита образуется неоднородная (по дисперсности) феррито-перлитная смесь, и, следовательно, наблюдается неоднородность механических свойств. В результате медленного охлаждения, особенно внутренних витков, при температурах интенсивного выделения из твердого раствора карбонитридных фаз (850—750° С) формируются грубые частицы карбонитридной фазы, в связи с чем снижается эффект дисперсионного упрочнения. В результате медленного охлаждения, кроме того, образуются крупные ферритньте зерна и снижается ударная вязкость.

Поэтому при производстве рулонной низколегированной стали методом контролируемой прокатки принимаются меры к предотвращению указанных нежелательных процессов. Для этого полосу подвергают после прокатки интенсивному спреерному охлаждению и сматывают при температуре ниже у—>а-превращения. На рис. 256 показано влияние температуры смотки на свойства стали, содержащей 0,18% С; 1,3% Mn; 0,06% Al.

Снижение прочностных свойств при повышенных температурах смотки (~650° С) объясняется выделением сравнительно крупных частиц карбонитридной фазы, слабо упрочняющих сталь. При снижении температуры смотки избыточные фазы выделяются в виде чрезвычайно мелких частиц, когерентно связанных с матрицей, сильно упрочняющих сталь. Кроме того, при высоких температурах смотки вследствие рекристаллизации зерно феррита «освобождается» от созданной при горячей деформации субструктуры и укрупняется (скорости охлаждения в рулоне недостаточны для подавления этих процессов). Такие нежелательные структурные изменения приводят к снижению предела текучести стали и, что особенно важно, к повышению переходной температуры хрупкости. В каждом конкретном случае устанавливают оптимальную температуру смотки (для стали, содержащей 0,18% С; 1,3% Mn; 0,06% Al, около 600°С).

Технология контролируемой прокатки низколегированных сталей. Для контролируемой прокатки листовой низколегированной стали используют мощные современные реверсивные прокатные станы с длиной бочки до 5000 мм, валки которых способны выдержать большие усилия, возникающие в результате значительной деформации металла при пониженных температурах конца прокатки, а также широкополосные станы с длиной бочки до 2300 мм.

При контролируемой прокатке на реверсивном стане температура нагрева слябов в зависимости от выбранного режима находится в интервале 1050—1250° С. Весь процесс прокатки ведется за 15—22 прохода с одной-двумя паузами для подстуживания.

Во время паузы перед окончательной прокаткой температура металла должна составлять 780—900° С и поддерживаться с высокой точностью. Температура конца прокатки устанавливается в пределах 750—850° С в зависимости от химического состава стали.

Деформацию осуществляют обычно в три стадии. На первой стадии слябы «разбивают» на ширину листа, далее после кантовки катают до толщины в 2—3 раза большей окончательной толщины листа. Затем делают паузу, необходимую для достижения металлом заданной температуры конца прокатки. На первой и второй стадиях прокатки происходит максимальная деформация слябов с целью повышения производительности станов. Это относится также к первым проходам третьей стадии. В последних трех — пяти проходах давление металла на валки должно ступенчато снижаться для получения хорошего профиля листа. Особое внимание уделяется последнему проходу.

С помощью соответствующего программирования различных фаз прокатки и варьирования температуры и толщины листа, при которых осуществляются остановки для охлаждения, можно создать условия для достижения высокой производительности стана и получения требуемого уровня свойства.