МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Грешта Віктор Леонідович

УДК 669.15-194.57:621.983

СТРУКТУРНА ПРИРОДА СХИЛЬНОСТІ ДО ФОРМОЗМІНЮВАННЯ

ЛИСТОВИХ ФЕРИТНИХ КОРОЗІЙНОСТІЙКИХ СТАЛЕЙ

05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Бондаренко Анатолій Леонідович,

Запорізький національний технічний університет,

доцент кафедри “Фізичне матеріалознавство”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Малінов Леонід Соломонович,

Приазовський державний технічний університет,

завідувач кафедри “Матеріалознавство”,

м.Маріуполь

кандидат технічних наук

Спектор Яков Ісаакович,

Український науково-дослідний інститут спеціальних сталей, сплавів та феросплавів,

завідувач лабораторії “Фізичне металознавство”,

м.Запоріжжя.

Провідна установа: Національна металургійна академія України Міністерства освіти і науки України, кафедра “Металознавство”, м.Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 24.02.2004р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м.Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд.153.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м.Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розіслано 16 січня 2004р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор |

Внуков Ю.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи.

Позитивна динаміка розвитку виробництва в умовах ринкових відносин можлива за умов раціонального збалансованого підходу до використання матеріалів високої вартості і інтенсифікації технологічних процесів.

Аналіз обсягів споживання металопродукції за останні роки різними галузями народного господарства свідчить про більш широке впровадження в виробництво економнолегованих нікелем, хромом і молібденом конструкційних сталей.

В харчовій і хімічній промисловості додаткові ресурси економії матеріальних витрат можливо отримати при застосуванні у ряді випадків феритних корозійностійких сталей замість більш коштовних аустенітних сталей з хромонікельовою композицією.

Проте розширення номенклатури виробів із феритних корозійностійких сталей стримується у зв’язку із незадовільною технологічністю листового прокату цих сталей у процесі операцій формозмінювання. Основним визначальним фактором у здатності листової заготовки до пластичного деформування є сама природа високохромистого фериту (ВХФ), крихкість якого є наслідком часткового формування в ОЦК гратці жорстких спрямованих міжатомних зв’язків.

В багатьох роботах (Хімушина Ф.Ф., Бабакова А.А., Банних.О.А, Одеського Д.А, Гуляєва О.П, Воздвіженського В.М., Ющенко К.А. і інш.) показано, що властивості феритних корозійностійких сталей значною мірою визначаються складом твердого розчину. Збагачення високохромистого фериту атомами перехідних металів і домішками впровадження призводить до ускладнення процесу перерозподілу дислокацій і релаксації напружень при пластичній деформації внаслідок збільшення величини енергетичних бар’єрів Набаро-Пайєрлса, а також блокування сприятливих систем ковзання при утворенні домішкових атмосфер.

В високохромистих сталях, стабілізованих навіть такими сильними карбідоутворювачами, як титан або ніобій, структурний стан твердого розчину за вмістом вуглецю може змінюватись безпосередньо у процесі металургійної переробки внаслідок порушення термічної стабільності первинних сполук на основі титану при високотемпературних нагрівах слябів під прокатку понад 1300°С.

Альтернативою застосуванню висококоштовних рафінуючих переплавів з метою ліквідації негативного впливу розчинених у фериті домішок може бути впровадження в загальну технологічну схему виготовлення холоднокатаного (х/к) листа додаткової термічної обробки, яка б сприяла очищенню твердого розчину від надлишкових атомів вуглецю і азоту при утворенні карбонітридів.

Тому проведення досліджень по оптимізації термодеформаційних режимів обробки і технологічних властивостей листових феритних корозійностійких сталей є актуальною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації автор одержав як виконавець науково-дослідних робіт:

? “Исследование структуры и свойств коррозионностойких жаропрочных никелевых сплавов, композиционных металлических материалов и ферритных нержавеющих сталей”, 1997-2000. - №04915;

? “Вивчення особливостей формування структури і властивостей корозійностійких жароміцних сплавів, композитів і феритних корозійностійких сталей”, 2000-2003. - №04930;

? “Розробка і дослідження основних принципів легування при створенні феритних жаростійких сталей для матриць металокомпозитів та виробів різного призначення”, 2003. - №ДБ 04923, номер державної реєстрації 0103U000107.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення механізму структуроутворення у процесі термомеханічної обробки підкату для підвищення технологічності листових феритних корозійностійких сталей при виготовленні із них виробів штампуванням.

Для досягнення вказаної мети в роботі було поставлено і вирішено наступні задачі:

1. Проаналізовано вплив технологічних параметрів виготовлення холоднокатаного листа на структурні зміни, що відбуваються в стабілізованих титаном феритних корозійностійких сталях, для підвищення здатності листа до формозмінювання.

2. Проведено оцінку рівня термічної стійкості неметалевих титанових включень як основного фактору, що визначає фазову і структурну стабільність феритних корозійностійких сталей із титаном.

3. Встановлено особливості характеру розчинності фаз впровадження в ВХФ з використанням фізичних методів дослідження.

4. Встановлено загальний характер змін структурного стану твердого розчину за вмістом атомів впровадження на кожній із стадій металургійної переробки і конкретних режимах термічної обробки вимірюванням параметра кристалічної гратки.

5. Розроблено рекомендації щодо вибору оптимальних термодеформаційних режимів виготовлення х/к листа із феритних корозійностійких сталей типу 08Х18Т1.

Об’єкт досліджень – структура і ті властивості листових феритних корозійностійких сталей, які визначають їх здатність до пластичного деформування при виготовленні виробів.

Предмет досліджень – явище зворотної розчинності вторинних фаз в стабілізованих титаном феритних корозійностійких сталях при високотемпературних нагрівах заготовок під прокатку.

Методи дослідження. З метою встановлення загального характеру структурних змін і динаміки перерозподілу атомів вуглецю і азоту між твердим розчином і карбідною фазою в процесі металургійної переробки феритних корозійностійких сталей на х/к лист використано наступне:

1. Дослідження процесів розпаду пересиченого твердого розчину і рекристалізації при певних варіаціях режимів попередньої термічної обробки гарячекатаного (г/к) підкату проведено за допомогою світлової мікроскопії і методу диференційованої твердості.

2. Встановлення характеру розчинності елементів впровадження у ВХФ в широкому інтервалі температур проведено шляхом вимірювання коерцитивної сили балістичним методом, а також за допомогою дилатометричного методу.

3. Дослідження вмісту атомів впровадження у твердому розчині та визначення природи карбідних фаз, що виділяються з нього при певних режимах термічної обробки, проведено із використанням методів рентгеноструктурного аналізу і електронної мікроскопії.

4. Встановлення характеру зв’язків режимів термодеформаційної обробки із механічними властивостями х/к листа проведено шляхом математичного моделювання з використанням сучасних пакетів комп’ютерних програм “Statgraph” і “Mathcad”. Надійність отриманих залежностей підтверджено задовільною збіжністю розрахункових даних з результатами експерименту.

Дослідження проведено на кафедрі “Фізичне матеріалознавство” Запорізького національного технічного університету, а також ЦЗЛ комбінату “Запоріжсталь”.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше встановлено, що в високотемпературній області при температурах 1100-1300°С для феритних корозійностійких сталей, що стабілізовані титаном, характерне явище гетерогенізації структури пов’язане з інтенсивним виділенням вторинних фаз із пересиченого ВХФ. Показано, що збільшення кількості дефектів кристалічної будови під час подальшої гарячої деформації слябів призводить до розвитку зворотних процесів розчинення надлишкових фаз і пересичення сталі атомами впровадження.

2. Встановлено механізм взаємного впливу таких факторів, як пересиченість твердого розчину атомами впровадження і ступінь розвитку рекристалізаційних процесів на інтенсивність виділення вторинної фази під час спеціальної термічної обробки г/к підкату.

3. Розроблено математичну модель і отримано аналітичні співвідношення між термодеформаційними параметрами виготовлення х/к листа і механічними властивостями, що визначають схильність листової заготовки до формозмінювання.

Практичне значення отриманих результатів. В дисертаційній роботі було вирішено задачу підвищення здатності до формозмінювання листових феритних корозійностійких сталей у процесі виготовлення з них деталей складної форми шляхом вдосконалення технологічних режимів переробки, які забезпечують формування рівноважної структури ВХФ із рівномірно розподіленою в його об’ємі вторинною фазою.

Використання листових сталей феритного класу, що виготовлялись за рекомендованими режимами термодеформаційної обробки г/к підкату, при проведенні капітальних ремонтів пічного обладнання на хлібозаводах Одеської області дозволило підвищити термін експлуатації печей в 1,5-2 рази і отримати річний економічний ефект у розмірі 105 тис. гривень.

Особистий внесок здобувача:

1. Встановлено загальний механізм структуроутворення в стабілізованих титаном феритних корозійностійких сталях під час їх металургійної переробки на х/к лист.

2. Запропоновано теоретичне обґрунтування реалізації явища зворотної розчинності елементів впровадження у ВХФ в високотемпературній області.

3. Участь у розробці методики кількісної оцінки дисперсних фаз в структурі сталі з урахуванням рельєфу поверхні зразків.

4. Вибір критеріїв оцінки, які дозволяють прогнозувати поведінку листової заготовки в процесі формозмінювання, розробка математичної моделі і отримання рівнянь регресії, що характеризують вплив термодеформаційних режимів обробки на кінцевий рівень властивостей.

5. Інтерпретація отриманих експериментальних даних і наукове узагальнення результатів досліджень, пов’язаних із структуроутворенням і формуванням властивостей феритних корозійностійких сталей у процесі термодеформаційної обробки.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися та обговорювалися на VI, VII Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблемы современного материаловедения” (Дніпропетровськ, 1997, 1998 р.р.), а також на VII, VIII, ІХ Міжнародних науково-технічних конференціях “Нові конструкційні сталі та сплави і методи їх обробки для підвищення надійності і довговічності виробів”(Запоріжжя, 1998, 2000, 2003 р.р.).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 5 статей у наукових журналах, що входять у перелік ВАК, а також 5 інших друкарських робіт.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, переліку посилань із 133 назв і додатку. Роботу виконано в обсязі 167 сторінок комп’ютерним набором, вона містить 62 рисунка, 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено актуальність проблеми, яку вирішено у дисертації, сформульовано мету досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі показано, що такі технологічні аспекти виробництва феритних корозійностійких сталей як спосіб виплавки і термодеформаційні режими їх подальшої металургійної переробки на холоднокатаний лист, які визначають форми існування домішкових атомів вуглецю і азоту в ВХФ, кількість та характер розташування вторинних фаз в структурі сталі, суттєво впливають на формування кінцевого комплексу властивостей листового прокату.

В свою чергу зневуглецювання високохромистого фериту за рахунок проведення рафінуючих переплавів або введення сильних карбідоутворюючих елементів, хоча і призводить до зниження границі плинності і температурного порогу холодноламкості, ще не гарантує отримання позитивних результатів в процесі операцій формозмінювання.

Покращення технологічності сталей даного класу можливе при впровадженні в загальний технологічний процес додаткової термічної обробки гарячекатаного підкату, яка б сприяла виділенню надлишкових атомів вуглецю із ВХФ і подальшому існуванню їх у вигляді вторинної фази. Для оптимізації режимів проведення цієї технологічної операції необхідно було провести додаткові дослідження, спрямовані на встановлення загального характеру розчинності елементів впровадження у ВХФ із врахуванням особливого впливу дефектів кристалічної будови на термодинаміку процесів розчинення та виділення.

В другому розділі наведено технологічні режими виплавки сталі 08Х18Т1 і подальшої металургійної переробки зливків на холоднокатаний лист, а також методи дослідження структури і властивостей листового металопрокату даної сталі.

На підставі аналізу літературних джерел і попередніх досліджень, з метою покращення властивостей листових феритних сталей, в умовах виробництва проводили додаткову термічну обробку г/к підкату за відповідними режимами. Рулони із феритних корозійностійких сталей відпалювали в ковпакових печах при температурі 800°С впродовж 4 годин. Подальше охолодження проводили під муфелем впродовж 33 годин. Високотемпературну обробку, а саме гартування з температур 900, 1000, 1100°С, виконували в прохідних роликових печах. Швидкість руху штаби в робочому просторі печі підтримували такою, щоб час витримки складав 1хв/мм.

Від обробленої в такий спосіб г/к штаби відбирали картки, з яких потім виготовляли зразки для проведення досліджень мікроструктури і механічних випробувань.

Характер розвитку дифузійних процесів, пов’язаних із перерозподілом атомів вуглецю між твердим розчином і карбідною фазою вивчали за допомогою фізичних методів дослідження, в тому числі з використанням рентгеноструктурного аналізу, який проведено на установці ДРОН-1 у мідному К випромінюванні із монохроматизацією дифракційних променів. Кількісний мікроаналіз дисперсних фаз проводили за допомогою єлектронномікроскопічних досліджень під мікроскопом УЕМВ-100В.

Механічні властивості при розтягуванні визначали за ГОСТом 1497-84 на пропорційних коротких зразках типу І із розрахунковою довжиною l0=.

Штамповність листових заготовок оцінювали методом гідростатичного випучування на машині Укрінмет МШ-70.

Третій розділ присвячено дослідженню структурних змін, що відбуваються на кожному етапі технологічного процесу виготовлення холоднокатаного листа феритних корозійностійких сталей і розробці температурночасових режимів додаткової термічної обробки г/к підкату. Критерієм при виборі оптимального режиму термічної обробки підкату є умова забезпечення максимального збіднення твердого розчину від надлишкових атомів вуглецю та азоту.

При проведенні мікроскопічних досліджень встановлено, що під час металургійної переробки феритних корозійностійких сталей на х/к лист в них, окрім змін, пов’язаних із трансформацією зеренної структури, відбуваються складні карбідні перетворення.

Причину фазової структурної нестабільності феритних хромистих сталей з титаном скоріше за усе слід пов’язувати із частковою дисоціацією первинних титанових сполук при високотемпературних нагрівах заготовок (зливків, слябів) під прокатку, внаслідок чого ВХФ збагачується атомами домішок впровадження. Слід зауважити, що визначення цих надлишкових фаз як первинних може бути тільки умовним, оскільки по суті вони уявляють собою багатошаровий конгломерат, що складається із оксинітриду і нітриду титану в середній зоні та поверхневої карбіднонітридної оболонки Ti(С,N), що формується під час вторинної кристалізації.

В процесі подальшої гарячої деформації зміни у хімічному складі матричної фази, що пов’язані із порушенням термічної стабільності первинних надлишкових фаз, повинні супроводжуватись одночасним виділенням вторинної фази або підвищенням концентрації вуглецю і азоту в дефектних ділянках структури. Аналіз мікроструктур слябів підтвердив попередньо висунуті гіпотези стосовно можливості проходження процесів розчинення та виділення в феритних корозійностійких сталях з титаном. Після прокатки () в слябі спостерігали дуже розвинену субзеренну структуру, яка закріплена виділеннями частинок вторинної фази на межах блоків.

Проте на наступній стадії переробки, незважаючи на більш сильне пересичення твердого розчину під час прокатного нагріву слябів до 1280-1300°С, в мікроструктурі г/к штаби виділення вторинної фази вже не спостерігали. На наш погляд це пов’язано із утворенням в металі в процесі гарячої деформації великої кількості дефектів (тридцятикратний уков слябів), що призводить до зміни загального характеру розчинності в напрямку більшого пересичення сталі атомами домішок. Саме тому у розкаті, де вже відбулись процеси старіння, порушується термодинамічна рівновага між твердим розчином і карбідною фазою, внаслідок чого має місце повторне розчинення вторинних виділень.

Зеренна будова г/к підкату уявляє собою витягнуті полігонізовані зерна фериту з чітко вираженою кристалографічною текстурою деформації. Відсутність власно рекристалізованих зерен після завершення гарячої деформації при температурі 900-930°С може бути, по-перше, наслідком пересиченості ВХФ, оскільки відомо, що атоми домішок, які розчинені в твердому розчині, гальмують перерозподіл дислокацій ефективніше, ніж частинки вторинної фази. По-друге, завершення процесів знеміцнення на стадії динамічного звороту слід пов’язувати із кристалічною природою ВХФ, в якому досить легко відбуваються процеси переповзання дислокацій. Також необхідно враховувати особливості технологічних умов переробки сталі відповідно до яких температура металу після виходу з чистової групи клітин і подальшого транспортування по холодному рольгангу до моталок швидко знижується і вже через 40-60 сек. становить близько 670°С.

Таким чином, перед холодною деформацією метал знаходиться в нерівноважному нерекристалізованому стані із значним рівнем пересиченості об’єму зерен атомами домішок.

Термочасові умови наступної рекристалізаційної обробки х/к матеріалу, яку проводять при температурі 980°С із швидкістю руху штаби в агрегаті 9-12 м/хв. (в залежності від товщини), забезпечують тільки переорієнтацію зеренної структури при збереженні вихідного структурного стану твердого розчину за вмістом атомів впровадження.

Домішки впровадження існують в структурі високохромистих сталей в різних формах (у вільному стані – в твердому розчині і домішкових атмосферах та у зв’язаному у вигляді первинних і вторинних фаз) і в процесі технології виготовлення металопрокату вони постійно змінюються. Саме тому в умовах виробництва було проведено експеримент по визначенню впливу додаткової термічної обробки г/к підкату на структурні зміни в х/к листі. Додаткову термічну обробку проводили за режимами: відпалювання рулонів при 800°С-4год., гартування листів в агрегаті безперервної дії від температур 900°С, 1000°С і 1100°С після витримки 1хв/мм.

При проведенні мікроструктурних досліджень встановлено, що максимальне виділення вторинної фази і очищення ВХФ від домішок відбувається в процесі відпалювання підкату при 800°С-4год. (рис.1, а). Гартування підкату з 900°С практично не призводить до порушення структури гарячого наклепу і незначні виділення карбідної фази спостерігаються лише в рекристалізованих об’ємах. Підвищення температури гартування до 1000°С сприяє інтенсифікації дифузійних процесів, що ілюструється помітними змінами в мікроструктурі. При цьому рекристалізація пройшла більш, ніж наполовину і значно зросла кількість вторинної фази. В свою чергу, при термічній обробці підкату при 1100°С – 1хв/мм, незважаючи на те, що в структурі пройшла збиральна рекристалізація, виділень вторинної фази не спостерігається (рис.1, б). Більш наочно наявність деякого гармонічного закону зміни структурного стану твердого розчину за вмістом атомів домішок при конкретних режимах термічної обробки відображають результати рентгеноструктурного аналізу по визначенню параметра кристалічної гратки (рис.2).

Рис.1. Вплив термічної обробки на структуру г/к підкату, 1000:

а – відпал 800°С-4год., б – гартування 1100°С-1хв/мм

Рис.2. Зміна параметра кристалічної гратки після термічної обробки г/к підкату

Факт нерівномірності структурних перетворень в г/к підкаті безумовно слід поєднувати із нееквівалентністю самих термочасових умов обробки, які забезпечують різні стадії розвитку дифузійних процесів. Однак гіпотетично можна припустити, що розвиток процесу розпаду пересиченого твердого розчину контролюється інтенсивністю перебудови дислокаційної структури, внаслідок чого зменшується кількість лінійних дефектів і зростає термодинамічна активність вуглецю.

Отримання в процесі промислового експерименту структури г/к підкату з різним енергетичним станом твердого розчину дає можливість оцінити вплив ступеня чистоти ВХФ на кінетику рекристалізаційних процесів вже в холоднодеформованому металі. Методом диференційованої твердості встановлено, що переорієнтація кристалічної структури проходить тим швидше, чим менша концентрація домішкових атомів у ВХФ. Так, за умов попереднього відпалювання підкату при 800°С-4год., при якому забезпечується максимальне очищення твердого розчину від домішок, утворення зародків нових зерен відбувається при температурі близько . За умов збереження значної пересиченості об’єму атомами вуглецю і азоту (це стосується г/к зразків та тих, що були загартовані від температури 900°С і 1100°С) рекристалізація починалась при більш високих температурах (; ).

Відповідний експериментальний факт може мати певне практичне значення, зокрема при розробці режимів рекристалізаційної обробки х/к листа. В умовах виробництва термочасові параметри цієї технологічної операції, що проводиться при температурі близько 980°С із швидкістю руху штаби в агрегаті 12 м/хв., забезпечують тільки переорієнтацію зеренної структури при збереженні вихідного структурного стану твердого розчину.

При аналізі мікроструктур рекристалізованого х/к листа, г/к підкат якого був оброблений за попередньо зазначеними режимами, спостерігається загальна тенденція до зменшення кількості частинок в структурі сталі внаслідок розвитку процесів коагуляції і поступового розчинення більш дрібних карбідів. Найбільша кількість вторинної фази спостерігається лише в листі, г/к підкат якого відпалювався при 800°С-4год, що скоріше за усе пов’язано із виділенням частинок значно більшого розміру. Останні є більш термічно стійкими відповідно співвідношенню Томсона-Конобієвського.

З метою встановлення загального характеру розчинності елементів впровадження в ВХФ вивчали поведінку такої структурно чутливої характеристики, як коерцитивна сила (Нс). Дослідження провели на зразках сталі марки 08Х18Т1 із вихідною волокнистою структурою після холодного наклепу, що були в подальшому загартовані від температур 700-1300°С (після витримки 1 год.). Встановлено, що залежність Нс від температури носить немонотонний характер із наявністю екстремуму при 1100°С. Це в свою чергу свідчить про проходження складних структурних змін, пов’язаних із процесами розчинення та виділення вторинних фаз із пересиченого домішками впровадження ВХФ і його рекристалізацією.

Зменшення Нс в інтервалі 700-1300°С обумовлено скоріше за усе спільною дією двох процесів:

1. В інтервалі температур 700-900°С волокниста структура поступово замінюється на рекристалізовану, що призводить до зменшення рівня наклепу. З підвищенням температури гартування до 900-1100°С інтенсивного розвитку набувають процеси збиральної рекристалізації, внаслідок чого зменшується сумарна протяжність меж зерен і відповідно з цим – витрати на перемагнічування ( зменшення Нс).

2. Зниження рівня розчинності на дефектах при нагріві до 900°С призводить до того, що початково пересичений ВХФ починає збіднюватись на атоми вуглецю і азоту, але кількість вторинної фази в структурі зменшується із підвищенням температури. При температурі гартування 1100°С Нс має мінімальне значення, що цілком узгоджується із характером структури, в якій завершення збиральної рекристалізації не супроводжується виділенням вторинної фази.

Отже, кожній температурі гартування в інтервалі 700-1100°С відповідає своя границя розчинності, яка збільшується відповідно до лінії сольвуса сплаву. Існування мінімуму Нс при 1100°С вказує на те, що ця температура відповідає границі максимальної розчинності атомів впровадження у ВХФ.

Гартування з більш високих температур 1100-1300°С призводить до різкого підвищення Нс. Проведені дослідження структури свідчать про те, що зростання температури нагріву вище ніж 1100°С, супроводжується не подальшим пересиченням твердого розчину, а навпаки, інтенсивним його збідненням на атоми вуглецю і азоту. При цьому об’ємна частка вторинних неферомагнітних карбідів підвищується при зростанні температури гартування.

В загальному вигляді вище наведені результати цілком узгоджуються із даними рентгеноструктурного аналізу по визначенню параметра кристалічної гратки г/к зразків загартованих від температур 650-1300°С (рис.3). Встановлено, що інтенсивне виділення вторинної фази і зниження параметра гратки відбувається при зменшенні волокнистості в структурі. Так при температурі 800°С виділення карбідів і зменшення параметра до рівня а800=0,28706 нм спостерігається лише після чотирьохгодинної витримки, при якій забезпечується більш повне проходження рекристалізаційних процесів. Така тенденція зберігається при підвищенні температури аж до 900°С, після чого параметр починає підвищуватись після гартування з 950°С і досягає максимуму при 1100°С. Відповідний характер змін параметра кристалічної гратки супроводжується аналогічними змінами в мікроструктурі. Кількість карбідної фази збільшується при нагріві до 900°С, а потім, починаючи з 950°С- зменшується.

1 – 650°C, =1год.;

2 – 800°C, =1год.;

3 – 850°C, =1год.;

4 – 900°C, =1год.;

5 – 950°C, =1год.;

6 – 1000°C, =1год.;

7 – 1100°C, =1год.;

8 – 1300°C, =1год.;

9 – 1300°C1100°С, =13.;

10 – 800°C, =4год.

При різкому охолодженні зразків від температури 1300°С спостерігається явище гетерогенізації ВХФ (рис.4) і різке зниження параметра кристалічної гратки до а1300=0,28690 нм (див. рис.3).

Гіпотетично можна припустити, що в феритних корозійностійких сталях з титаном в інтервалі 1100-1300°С існує зворотний (ретроградний) характер розчинності.

Рис. 4. Мікроструктура г/к підкату після гартування від 1300°С-1год

При проведенні рентгеноструктурного фазового аналізу встановлено, що в обох інтервалах мінімальної розчинності елементів впровадження в ВХФ (800°С і 1300°С) утворюються структури з ідентичним фазовим складом (+(Cr,Fe)23C6+TiC). У зв’язку з цим причину зворотної розчинності в даному випадку недоречно пояснювати з позиції можливого розвитку перитектичних карбідних реакцій або концентраційного розшарування надлишкової фази.

На наш погляд причиною суцільної гетерогенізації ВХФ в інтервалі 1100-1300°С може бути особливий попередній вплив високотемпературних вакансій на термодинамічний стан твердого розчину. Виходячи з енергетичних аспектів, ці, скоріше за усе, моновакансії з’являються саме в місцях розташування атомів вуглецю, оскільки робота їх виникнення у даному випадку на 30% менша, ніж при гомогенному утворенні. Враховуючи, що такий комплекс вакансія-атом вуглецю є нерухомим (замороженим), то цілком можливо, що в процесі подальшого охолодження він може стати центром утворення дисперсних зародків карбідних фаз.

З метою підтвердження попередньо висловлених припущень провели кількісну оцінку можливості гетерогенізації ВХФ в високотемпературній області за цим механізмом. Результати розрахунків вмісту вуглецю в твердому розчині наведено в табл.1.

Таблиця 1 –

Зміна концентрації вуглецю у ВХФ в залежності

від режиму термічної обробки

Концентрація

вуглецю у ВХФ,

% мас. | Режим термічної обробки (t, С, , год.)

800-4 | 900-1 | 950-1 | 1000-1 | 1100-1 | 1300-1

0,0422 | 0,0422 | 0,054 | 0,0660 | 0,0700 | 0,0260

Наявність різниці концентрацій в кількості 0,016% між значеннями концентрацій, що фіксуються в розчині при 800°С-4год. і 1300°С-1год. (в обох випадках в мікроструктурі зразків при гартуванні спостерігається значна кількість карбідної фази) логічно було пояснити з позиції можливої взаємодії атомів вуглецю із тепловими вакансіями, з енергією зв’язку 0,41 еВ. Оскільки відомо, що робота гомогенного утворення вакансій складає в середньому 1,4 еВ, то в місцях розташування атомів вуглецю енергетичні витрати при виникненні вакансій повинні бути близько 1 еВ.

Атомна концентрація вуглецю, який може взаємодіяти із вакансіями, розрахована за формулою (1) і становить С=7,3410-4 ат.часток.

, | (1)

де СС, СFe, СCr – масові проценти вмісту вуглецю, заліза і хрому відповідно;

АС, АFe, АCr – атомна вага відповідного елемента.

При проведенні розрахунків роботи утворення низькоенергетичних вакансій U, із використанням залежності (2) для рівноважної концентрації точкових дефектів у вигляді пар вакансія-вуглець, встановлено, що така концентрація вуглецю (0,016%), що залишається у твердому розчині, забезпечує зменшення енергетичних витрат на утворення вакансій на 0,4 ев, робота утворення у цьому випадку складає U1 еВ.

, | (2)

де U – робота утворення точкового комплексу, еВ;

k – стала Больцмана (8,6210-5), еВ/град.;

Т – температура, К.

.

Отже, результати розрахунків начебто підтверджують попередньо висунуту гіпотезу стосовно причин і механізму гетерогенізації ВХФ при швидкому охолодженні із високотемпературної області та наявності зворотної розчинності атомів впровадження у фериті.

Причиною відсутності вторинних фаз після гарячої деформації слябів, в яких, як було зазначено вище, при незначному перехолодженні відносно відбувається явище гетерогенізації ВХФ із виділенням карбідів хрому (Cr,Fe)23C6 і титану ТіС, на наш погляд є збільшення об’ємної розчинності при утворенні в металі в процесі гарячої деформації значної кількості лінійних дефектів. Порушення термодинамічної рівноваги між твердим розчином і карбідною фазою в початково гетерогенній системі може призводити до поступового розчинення надлишкової фази і утворення надалі розряджених атмосфер на дислокаціях, внаслідок чого в подальшому ускладнюється розвиток процесів розпаду пересиченого ВХФ.

В четвертому розділі встановлено характер зв’язку між режимами термодеформаційної обробки і механічними властивостями, за яким можна оцінити схильність листового матеріалу до формозмінювання. На основі попереднього аналізу експериментальних результатів і літературних даних стосовно фізичної природи впливу зовнішніх факторів (Т,°С; ,%товщина листа h,мм) на властивості, отримано загальний канонічний вираз математичної моделі функцій відгуку Z=Z(T,h). Даний вираз має вигляд неповної квадратичної залежності: |

(3)

(своєрідна суперпозиція впливу обох факторів). Показано, що повний аналіз співвідношення (3) дозволяє передбачити усі можливі особливості поверхонь відгуку Z=Z(T,h), а сама функція Z повністю відповідає отриманим експериментальним результатам.

Доведено відсутність у цій функції загальних екстремумів (максимумів і мінімумів), оскільки визначник , складений з частинних похідних є від’ємним.

В даному випадку можливі тільки частинні екстремуми і якщо , то екстремальні значення температур, яким за умов фіксованих h відповідає максимум або мінімум функції Z=Z(T,h), при збільшенні параметра h завжди зсувається ліворуч, вздовж своєї осі. При цьому знак другої похідної може бути будь яким, в залежності від співвідношення знаків коефіцієнтів а і b

При деякому фіксованому значенні h*, сума двох перших членів рівняння (3) набуває нульового значення за умови і тоді будь-яка парабола у перерізі поверхні (3) з певною за знаком кривиною при такому h* перетвориться у пряму лінію, котра буде визначатись рівнянням .

Перевірку надійності одержаних залежностей для обраних показників штамповності здійснили у стандартний спосіб обробки експериментальних даних з використанням методу найменших квадратів для функції двох змінних. Задовільна збіжність експериментальних і розрахункових даних, певною мірою підтверджує адекватність отриманих аналітичних рівнянь фізичній реальності (табл.2).

Таблиця 2 –

Залежність S/В від термодеформаційних режимів обробки

для різних кутів вирізки зразків відносно осі деформації

Товщина

h, мм | t,°С | Поздовжна орієнтація волокон | Діагональна орієнтація волокон | Поперечна орієнтація волокон

експер. | розр. за (4) | експер. | розр. за (5) | експер. | розр. за (6)

1,0 | 800 | 0,662 | 0,6543 | 0,660 | 0,6562 | 0,659 | 0,6551

900 | 0,667 | 0,6757 | 0,679 | 0,6787 | 0,686 | 0,6842

1000 | 0,675 | 0,6818 | 0,696 | 0,6867 | 0,698 | 0,6932

1100 | 0,677 | 0,6725 | 0,690 | 0,6800 | 0,695 | 0,6822

В процесі аналізу графічних залежностей комплексу механічних характеристик (5, р, s/в, в-s, n, R) встановлено, що найбільш схильним до бездефектного штампування буде листовий матеріал товщиною 1,0-1,5мм (=63-75%), підкат якого відпалювався при 800°С-4год.

Встановлено, що відносне подовження 5 знижується при зменшенні інтенсивності холодної деформації (37-75%)h(2,5-1,0мм), що є цілком закономірним. Збільшення діаметру зерен при меншій інтенсивності холодної деформації супроводжується більш швидким вичерпуванням запасу пластичності.

При певних варіаціях режимів термічної обробки, максимальний рівень загальної пластичності спостерігається в х/к матеріалі за умов попереднього відпалювання підкату при 800°С-4год. (5=41-42%), при якому забезпечується максимальне очищення ВХФ від надлишкових атомів вуглецю і азоту.

Збільшення рівня легованості ВХФ атомами домішок із підвищенням температури обробки г/к підкату, як було встановлено при дослідженні зміни параметра кристалічної гратки і коерцитивної сили, спричиняє поступове його твердіння і, як наслідок, зменшується пластичність (5(1100°С)=38-37%).

Схильність металу до формозмінювання і стійкість процесу пластичної деформації значною мірою залежить від здатності листового матеріалу до зміцнення на етапі пластичної плинності, що в кількісному плані характеризується такими показниками як ступінь зміцнення n і рівномірне подовження р.

Показано, що максимальне значення р (на рівні 23-24%) забезпечується в зразках із поздовжньою орієнтацією волокон за умов попереднього відпалювання підкату при 800°С-4год. Пояснити це можна з позицій реалізації дисперсійного механізму зміцнення фериту частинками вторинної фази, відносна кількість яких при обробці за даним режимом є найбільшою (рис.5, а) і складає 3,9%. При середньому розмірі частинок 0,08 мкм, довжина вільного пробігу дислокацій не перевищує 2,6 мкм.

При інших режимах термічної обробки г/к підкату в холоднодеформованому металі спостерігається загальна тенденція до зниження показників рівномірного подовження із зростанням температури обробки. Отримання більш низьких значень р після гартування підкату з 1000°С-1хв/мм слід пов’язувати із зменшенням кількості частинок в структурі 1,6% і збільшенням довжини вільного пробігу дислокацій до 4,8 мкм (рис.5, б).

Надійним критерієм для прогнозування поведінки листової заготовки в процесі формозмінювання є величина відношення s/в, яка повинна бути якомога меншою.

Мінімальні значення цього показника (рис.6, а) в листі товщиною 1,0 і 1,5 мм забезпечуються термічною обробкою г/к підкату за режимом відпал 800°С-4год., коли значна кількість вторинної фази, що фіксувалась в г/к підкаті, зберігалась у структурі і після рекристалізації х/к листа (tр.=980°С-1 хв/мм).

а б

Рис.5. Мікроструктура г/к підкату після термічної обробки, 10000:

а – відпал 800°С-4год.; б – гартування г/к підкату 1000°С-1хв/мм

а |

б

в |

г

Рис.6. Залежність S/В від термодеформаційних чинників обробки підкату:

а – поздовжна орієнтація волокон |

(4)

б – діагональна орієнтація волокон |

(5)

в – поперечна орієнтація волокон |

(6)

г – поздовжна орієнтація волокон; версія Mathcad (h*=2,155 мм)

Цей факт можна пояснити, виходячи з наступних міркувань:

1. Зменшення концентрації розчинених домішок у ВХФ призводить до зниження як напружень “тертя” в гратці і, так і коефіцієнта Ку в рівнянні Петча-Хола.

2. Отримання низьких значень s/в при обробці за даним режимом можна пов’язати із більшим зміцненням матеріалу на параболічній стадії деформації при наявності в структурі дисперсних частинок вторинної фази, що фактично збільшує в.

Одним із найбільш складних видів штампування є глибока витяжка. Здатність матеріалу до цього виду штампування оцінюють критерієм Ленкфорда (коефіцієнт нормальної анізотропії R). За своєю сутністю коефіцієнт нормальної анізотропії визначається орієнтаційним характером кристалічної структури. Встановлено, що більш високі значення R забезпечується в листовому матеріалі після деформації 63-75%; це узгоджується із літературними даними і пояснюється збільшенням кількості зерен із сприятливою орієнтацією (111) відносно площини прокатки.

Політермічні криві зміни коефіцієнта R мають немонотонний характер із формуванням максимуму при 900°С і 1000°С (в залежності від орієнтації волокон), що логічно пояснити з позицій збереження при цих режимах термічної обробки структури гарячого наклепу і, можливо, текстури гарячої прокатки. За цих умов в рекристалізованому тонколистовому матеріалі спостерігається значна кількість зерен із орієнтацією 111 паралельно напрямку прокатки.

Відповідно із проведеним аналізом характеру змін властивостей слід зазначити , що при виборі термодеформаційних режимів обробки необхідно враховувати характер напружено-деформованого стану, який реалізується в заготовці при конкретних операціях штампування. Так, при виготовленні виробів методом ротаційного гнуття задовільна стійкість процесу пластичної деформації буде забезпечуватись відпалюванням г/к підкату при 800°С-4 год. Якщо при формозмінюванні виробів переважає глибока витяжка, то найбільш доцільним буде режим термічної обробки, який сприятиме певному очищенню ВХФ від надлишкових атомів вуглецю і азоту без порушення структури гарячого наклепу (гартування 1000°С-1 хв/мм).

В п’ятому розділі представлено загальний аналіз структурного стану гарячедеформованого металопрокату. Показано, що на даному етапі металургійної переробки г/к підкат знаходиться в структурно-нерівноважному стані із пересиченим атомами впровадження твердим розчином і нерекристалізованою структурою. Таким чином виробництво феритних корозійностійких сталей проводиться практично в режимі ВТМО. Для повної реалізації цієї схеми в загальному комплексі технологічних операцій слід передбачити перед холодною деформацією проведення відпалювання г/к підкату при 800°С–4 год. з метою виділення вторинних фаз із пересиченого твердого розчину і тим самим стабілізації структури і властивостей в х/к листі.

Запропоновані в роботі практичні рекомендації були використані при проведенні планових капітальних ремонтів пічного обладнання на хлібозаводах Одеської області. Виготовлення окремих елементів жаростійкої пічної арматури із листових феритних корозійностійких сталей, які отримано по запропонованій технології, дозволило підвищити термін експлуатації печей в 1,5-2 рази і отримати очікуваний економічний ефект в розмірі 105 тис. грн.

Загальні висновки

1. Встановлено, що в процесі металургійної переробки феритних корозійностійких сталей, котрі містять в собі титан, одночасно із трансформацією зеренної структури відбуваються складні процеси розчинення та виділення карбідних фаз, які впливають на формування кінцевого комплексу механічних і технологічних властивостей.

2. Встановлено, що порушення фазово-структурної стабільності при високотемпературному нагріванні феритних корозійностійких сталей під прокатку пов’язане з частковим розчиненням поверхневої карбонітридної оболонки, яка утворилась при вторинній кристалізації на первинних оксинітридних та нітридних включеннях титану.

3. На основі експериментальних даних вперше встановлено існування зворотної розчинності атомів впровадження у високохромистому фериті (ВХФ) у високотемпературній області (1100-1300°С). Причиною розвитку процесів гетерогенізації у ВХФ при охолодженні у вказаному інтервалі може бути особливий вплив теплових вакансій, які при взаємодії з атомами вуглецю можуть стати центрами зародження вторинних фаз. Відповідне гіпотетичне припущення узгоджується із результатами оцінки роботи утворення таких комплексів.

4. Виявлено, що під час гарячої прокатки, у зв’язку із зміною характеру розчинності при утворенні значної кількості лінійних дефектів, відбуваються зворотні процеси розчинення вторинних фаз. Перед холодною деформацією метал знаходиться в нерівноважному стані із підвищеною концентрацією домішок в об’ємі кристалітів і нерекристалізованою структурою.

5. Встановлено, що при додатковій термічній обробці гарячекатаної штаби в інтервалі температур 800-1100°С розпад пересиченого твердого розчину контролюється інтенсивністю розвитку рекристалізаційних процесів.

6. Розроблено математичну модель, яка відображає характер зв’язків режимів термодеформаційної обробки із механічними властивостями, за якими можна оцінити схильність листового матеріалу до формозмінювання. Показано, що отримані рівняння регресії є повністю адекватними експериментальним даним.

7. Запропоновано рекомендації, щодо оптимізації технологічних режимів отримання холоднокатаного листа. Задовільна стійкість процесу пластичного деформування при виготовленні виробів із листових феритних корозійностійких сталей повинна забезпечуватись попереднім відпалюванням гарячекатаного підкату при 800°С-4 год. і подальшою холодною деформацією штаби із ступенями обтиснень 63-75%.

8. Технологічний процес металургійної переробки феритних корозійностійких сталей на холоднокатаний лист практично проводиться в режимі ВТМО. Для повної реалізації цієї схеми в загальному комплексі технологічних операцій слід передбачити проведення додаткової термічної обробки гарячекатаного підкату (відпал при 800°С-4 год.). В результаті листовий матеріал характеризується низьким рівнем жорсткості і має здатність до зміцнення в процесі операцій формозмінювання.

9. Виробництво феритних сталей марок 08Х8СЮТч і 08Х18Т1 із застосуванням рекомендованих режимів термічної обробки підкату призводить до покращення технологічності цих сталей в процесі операцій формозмінювання і зварювання. Використання запропонованих марок сталей для виготовлення деталей жаростійкої пічної арматури дозволило підвищити термін експлуатації печей у 1,5-2 рази і отримати очікуваний економічний ефект, за рахунок зменшення витрат на капітальні ремонти, у розмірі 105,362тис. гривень.

Список публікацій

1. Бондаренко А.Л., Грешта В.Л. Аномалии физических свойств при нагреве и охлаждении ферритных нержавеющих сталей //Нові матеріали і технології в машинобудуванні. – 1997. - №1. – С.41-44.

2. Бондаренко А.Л., Климов А.В., Грешта В.Л. Совершенствование технологии горячей прокатки толстолистовых нержавеющих сталей ферритного класса //Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении. – Краматорск: ДГМА, 1998. – С.31-34.

3. Бондаренко А.Л., Грешта В.Л., Степанова Л.П. Перерозподіл вуглецю при нагріванні і охолодженні заготівок під час виробництва листа із феритних корозійностійких сталей //Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2000, №2. – С.33-36.

4. Ольшанецький В.Ю., Грешта В.Л., Бондаренко А.Л. Математичне моделювання зв’язків між показниками штампованості корозійностійких феритних сталей і технологічними параметрами їх виробництва //Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2002, №2. – С.78-83.

5. Ольшанецький В.Ю., Бондаренко А.Л., Грешта В.Л., Степанова Л.П. Деякі