ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ІМ. З. І. НЕКРАСОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Янковський Олександр Вікторович

УДК 669.017:621.771.23:620.184/.186

ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ ТОНКИХ ГАРЯЧЕКАТАНИХ ШТАБ І РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ, ЩО ЗАПОБІГАЮТЬ УТВОРЕННЮ РІЗНОЗЕРНИСТОСТІ

Спеціальність 05.16.01“

Металознавство та термічна обробка металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З. І. Некрасова

Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Левченко Г. В., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, зав. відділом проблем структуроутворення і властивостей чорних металів

Офіційні опоненти: Спиридонова Ірина Михайлівна – доктор технічних наук, професор кафедри металофізики Дніпропетровського національного університету, м. Дніпропетровськ.

Сухомлін Георгій Дмитрович – кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Державного підприємства “Науково-дослідний і конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю.Осади” Міністерства промислової політики України, м. Дніпропетровськ.

Провідна установа: Національна металургійна академія України Міністерства освіти і науки України, кафедра металознавства.

Захист відбудеться "03" червня 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 при Інституті чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З. І. Некрасова за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1

Автореферат розісланий "15" квітня 2005 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Приходько І.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Штабовий прокат є найважливішим конструкційним матеріалом для автомобіле- і машинобудування. Масштаби й ефективність його застосування багато в чому визначаються споживчими властивостями і ціною. В останні роки на світовому ринку металопродукції спостерігається чітка тенденція заміни значної частки холоднокатаних штаб більш дешевим гарячекатаним продуктом аналогічних товщин. Одним з найважливіших показників якості штабового прокату, призначеного для холодного штампування, є рівномірність структури і текстури по товщині штаб. Нерівномірність структури (велике зерно на поверхні) може викликати брак при штампуванні, наприклад, приводити до утворення так званої “апельсинової кірки”. Зазначений дефект особливо сильно виявляється при прокатці тонких гарячекатаних штаб товщиною менше 2 мм.

Застосування таких тонких гарячекатаних штаб як підкат при виробництві надтонких холоднокатаних штаб, здатне значно знизити собівартість останніх. Однак така заміна можлива лише в тому випадку, коли гарячекатаний прокат буде цілком задовольняти ряд технічних вимог, зокрема, мати задовільну мікроструктуру і необхідний рівень механічних властивостей.

У зв’язку з цим, представлена робота, яка спрямована на вивчення природи утворення різнозернистості і розробку температурно-деформаційних параметрів виробництва гарячекатаного тонкоштабового прокату, що дозволяють одержати структурний стан і рівень механічних властивостей сталі, близький до холоднокатаного стану, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи зв'язане з тематичними планами наукових досліджень Інституту чорної металургії ім.. З.І. Некрасова НАН України. Дослідження виконані в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: “Дослідження впливу деформаційно-термічної обробки на структуру і текстуроутворення низьквуглецевих і низьколегованих сталей з метою забезпечення підвищеної пластичності і штампованості тонкоштабового прокату” (№ держреєстрації 0100U002954), “Визначення температурно-деформаційних параметрів прокатки тонкоштабової низьковуглецевої сталі, що перешкоджають утворенню структурної неоднорідності” (№ держреєстрації 0103U005408), “Дослідження впливу текстури на формування структурної неоднорідності тонких гарячекатаних штаб” (№ держреєстрації 0104U005561).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи було встановлення закономірностей впливу температурно-деформаційних режимів гарячої прокатки і наступного охолодження на формування мікроструктури і текстури по перетину тонких гарячекатаних штаб з низьковуглецевої сталі, і визначення на цій основі температурно-деформаційних режимів прокатки, що дозволяють усунути структурну неоднорідність.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені наступні задачі:

·

·

·

·

Об'єкт дослідження. Гарячекатаний тонкоштабовий прокат з низьковуглецевої сталі.

Предмет дослідження. Процеси структуроутворення при виробництві тонких гарячекатаних штаб і вплив на них температурно-деформаційних режимів прокатки і наступної термічної обробки.

Методи дослідження. Мікроструктурні дослідження проведені за допомогою світлової мікроскопії з застосуванням методів кількісної металографії. Визначення механічних властивостей здійснювали за допомогою стандартних методів механічних випробувань на розтягання. Для вивчення особливостей кінетики розпаду аустеніту низьковуглецевої сталі використовувався диференційно-термічний метод аналізу. Рентгенівські дослідження текстури зразків проводилися методами прямих і зворотних полюсних фігур.

Для якісної оцінки розмірів зерен і визначення рівня їхнього напруженого стану при різних режимах рекристалізаційного відпалу застосовувався рентгенівський фотографічний метод зйомки “від плоского шліфа” у камерах РКД із фокусуванням по Г.В.Курдюмову. При зйомці використовувалося відфільтроване Со К - випромінювання.

Наукова новизна

1. Уточнено вплив вмісту вуглецю і попередньої гарячої деформації (=10-40 %) на положення фазових областей при безупинному охолодженні низьковуглецевих сталей. Показано, що деформація металу зі ступенем 40 % приводить до підвищення температур Ar3 на 15-20 С при вмісті вуглецю 0,09% і на 25-30 С при вмісті вуглецю 0,15 %;

2. Вперше побудовані діаграми рекристалізації третього роду сталей 08кп і Ст3кп після гарячої деформації прокаткою, окремо для центральних і для поверхневих шарів штаб, рекристалізація яких здійснюється за різними механізмами;

3. Показано, що процес утворення грубозернистої структури фериту в поверхневих шарах тонкоштабового прокату з низьковуглецевої сталі після прокатки у ферито-аустенітній області носить нестабільний характер, а розміри зерен змінюються в широких межах. Встановлено, що при всіх досліджених температурах (650-950 С) існує ступінь деформації, вище якого в дослідженому металі утворюється тільки рівномірна за товщиною зеренна структура: для сталі 08кп – 40 %; для Ст3кп – 35 %;

4. Установлено, що розмір зерен фериту в центральній зоні штаб, прокатаних при так званих “критичних” ступенях деформації значно менший, ніж розмір зерен фериту в поверхневих шарах штаб, прокатаних у ферито-аустенітній області. З цього випливає, що критичний ступінь деформації незначно впливає на утворення в поверхневих шарах гарячекатаного тонкоштабового прокату аномально великих зерен фериту;

5. Показано, що різке зростання зерен у поверхневих шарах тонкоштабового прокату, прокатаного у ферито-аустенітній області, викликане його неоднорідним текстурно-напруженим станом по перерізу з перевагою на поверхні компонентів текстури {110}<uvw>. Причиною цього є вплив на приповерхневі шари металу сильних зсувних складових деформації, обумовлених силами зовнішнього тертя, максимальне значення коефіцієнта яких відповідає даному температурному інтервалу прокатки.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлені закономірності формування структури і властивостей низьковуглецевої сталі дозволили розробити раціональні режими гарячої прокатки, що запобігають утворенню несприятливої для глибокої витяжки зональної структурної неоднорідності. Реалізація отриманих результатів можлива після реконструкції стану 1680 металургійного комбінату “Запоріжсталь”.

Особистий внесок автора. Аналітичний огляд, планування і проведення експериментальних досліджень проведено особисто автором. Аналіз і узагальнення результатів експериментальних і теоретичних досліджень виконані автором при консультативній допомозі к.т.н. А.М.Нестеренка і к.т.н. С.О.Вороб’я

Апробація результатів роботи. Матеріали роботи були повідомлені й обговорені на: Міжнародних наукових конференціях “Проблеми сучасного матеріалознавства (Стародубовські читання)” (м. Дніпропетровськ, 2002 і 2003 р.р.); Міжнародній науково-технічній конференції молодих фахівців “Азовсталь-2003” (м. Маріуполь, 2003 р.); Науково-технічних конференціях молодих вчених і студентів “Молода академія” (м. Дніпропетровськ, 2003 і 2004 р.);

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 8 статтях у фахових виданнях і 3 матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку літературних джерел, що містить 145 найменуваннь, і додатків. Робота викладена на 192 сторінках, з яких 139 сторінок машинописного тексту, містить 63 рисунка і 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі приведено огляд сучасних технологічних процесів виробництва тонкоштабового прокату з низьковуглецевих марок сталей. Показано, що найбільш ефективним напрямком використання реальної якості сталей є часткова заміна в металоспоживаючих галузях холоднокатаної штаби гарячекатаною. Практична можливість такої заміни була показана на основі аналізу вимог стандартів і фактичних характеристик гаряче- і холоднокатаного металу, зробленого Ф.Є.Долженковим, Ю.В.Коноваловим, В.І.Мелешком, В.Г.Іванченком та ін. Однак в умовах, що тоді існували, воно не знайшло широкого розвитку у вітчизняній практиці. Нині за кордоном спостерігається стійка тенденція до зменшення товщини виробленого тонкоштабового гарячекатаного прокату, який можна застосовувати як замість холоднокатаного, так і як підкат для виробництва холоднокатаних штаб, що дає споживачу значну вигоду.

Такого роду заміна можлива лише в тому випадку, коли структура і властивості гарячекатаного прокату будуть цілком задовольняти вимогам, які висуваються до холоднокатаного. Однак на вітчизняних широкоштабових станах прокатка тонких гарячекатаних штаб здійснюється, за звичай у несприятливих умовах, що приводять до утворення структурної неоднорідності по перерізу. Аналіз літературних даних указує на різноманіття причин її утворення. Однак умови утворення і механізми даного ефекту однозначно не встановлені.

На основі проведеного аналізу були поставлені цілі і задачі дійсної роботи.

У другому розділі описані застосовані в роботі методики, за допомогою яких проводилися дослідження в даній роботі.

Для вивчення кінетики перетворення аустеніту в низьковуглецевій сталі при охолодженні в різних середовищах і визначенні температурно-часових інтервалів перетворення, в залежності від ступеня прикладеної деформації, був обраний метод диференційно-термічного аналізу. Даний метод дозволяє фіксувати процеси фазових перетворень, навіть, якщо вони починаються в процесі гарячої деформації, що неможливо при застосуванні інших методів.

Матеріалом для дослідження слугували зразки з низьковуглецевої штабової сталі марок 08кп і Ст3кп (табл. 1) розмірами (3-5)530 мм, що після нагрівання прокатувалися на однакову кінцеву товщину (3,0 мм). Ступені деформації складали: 10, 20, 30, і 40 %. Геометричні розміри еталонів вибирали близькими до розмірів зразків після прокатки. Досліджувані зразки нагрівали до температури аустенітизації (1000 °С) зі швидкістю 0,5 °С/с, витримували при цій температурі 5 хв. і охолоджували зі швидкістю від 0,15 до 100 °С/с. Необхідний діапазон швидкостей охолодження забезпечували шляхом добору відповідних охолоджувальних середовищ.

Таблиця 1. Хімічний склад досліджуваних сталей

Марка сталі | Вміст елементів, %

C | Mn | Si | S | P

08пс | 0,06 | 0,24 | 0,01 | 0,01 | 0,02

08кп | 0.09 | 0.32 | 0.01 | 0.025 | 0.010

Ст3кп | 0.15 | 0.35 | 0.02 | 0.025 | 0.012

Для визначення впливу хімічного складу, температури і ступеня гарячої пластичної деформації на процеси структуроутворення, була проведена експериментальна прокатка клиноподібних зразків на лабораторному прокатному стані 280. Деформація проводилася при наступних температурах: 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950 С. Зазначений інтервал температур деформації вибирався виходячи з побудованих термокінетичних діаграм сталей 08кп і Ст3кп таким чином, щоб прокатка зразків проводилася в аустенітній, аустенітно-феритній і феритній областях. Деформацію проводили за один прохід зі ступенем деформації до 50 %. Для забезпечення такого інтервалу ступенів деформації використовували клиноподібні зразки розмірами (3-6)30140 мм, які прокатували на одну постійну кінцеву товщину. Клиноподібні зразки одержані шліфуванням плоских зразків, товщиною 6 мм з одного боку.

Для забезпечення заданої температури прокатки, зразки після витягання з печі підохолоджували на повітрі. Рівномірність нагрівання й охолодження клиноподібних зразків забезпечувалася використанням клиноподібної підкладки. У ході роботи встановлено, що після прокатки й охолодження на повітрі, зеренна структура зразків була рівномірною по товщині. Тому з метою виявлення схильності деформованого металу до утворення на його поверхні аномально великих зерен, зразки піддавали ізотермічному рекристалізаційному відпалу в лабораторній муфельній печі. Температура складала 680 С, загальна тривалість витримки - 2,5 години, охолодження відбувалося з піччю.

Дослідження мікроструктури проводили на металографічному мікроскопі NEOPHOT–2. Величину зерна визначали методом “випадкових січних” за ГОСТ 5639-82.

Текстурний аналіз виконаний на рентгенівських діфрактометрах УРС-50ИМ і ДРОН-3М відповідно в Fe K і Cu K випромінюваннях за методом Шульца. Переважний розподіл кристалітів аналізували за допомогою отриманих цим методом прямих полюсних фігур (ППФ(110)). Враховуючи, що при аналізі текстур за допомогою ППФ (110) оцінка кількісного співвідношення орієнтувань, яка є важливою для визначення здатності штабового матеріалу до витяжки, викликає серйозні труднощі, у даній роботі використовували також метод зворотних полюсних фігур (ЗПФ). Суть методу ЗПФ полягає в побудові рівнів рівної щільності полюсів на стереографічному трикутнику. Значення полюсної щільності Phkl у цій роботі визначали для наступних 16 точок стереографічного трикутника: 110, 100, 211, 310, 111, 321, 411, 210, 332, 521, 221, 541, 311, 631, 320, 730. Для встановлення полюсної щільності необхідно визначити відношення інтенсивностей інтерференцій текстурованого зразка й еталона в кожній з 16-ти перерахованих точок стереографічного трикутника. Інтенсивність дифракційних ліній зразків і еталона визначали на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-УМ1 у Мо К - випромінюванні з фокусуванням по Брэггу – Брентано.

Для аналізу особливостей рекристалізованої структури в гарячекатаному прокаті зі сталі 08пс після відпалу за різними режимами застосовували рентгенографічний фотометод зйомки від плоского шліфа в камерах РКД із фокусуванням по Г.В.Курдюмову. При зйомці використовували відфільтроване Со К - випромінювання.

В третьому розділі приведені результати досліджень структури і властивостей гарячекатаного і холоднокатаного тонкоштабового прокату зі сталі 08пс. Порівняльний аналіз показав, що в гарячекатаному стані прокат товщиною 1,5 мм виробництва МК “Запоріжсталь” цілком задовольняє вимогам ГОСТ 16523, однак у середньому його пластичність має нижчий рівень, ніж у холоднокатаному прокаті тієї ж товщини. Це пов’язано з тим, що, на відміну від рівномірно розподіленого глобулярного цементиту в холоднокатаному відпаленому металі (рис. 1, а), у гарячекатаному металі присутні перліт (розміром 7-12 мкм) з масивним цементитом і грубі виділення структурно-вільного цементиту по границях феритних зерен (рис. 1, б), що перешкоджають розвитку пластичного плину металу при його деформації. Крім того, прокат у гарячекатаному стані характеризується крайньою структурною неоднорідністю по перерізу: розмір зерна в поверхневих шарах більший, ніж у середніх у 5-8 разів (рис. 1 - в, г), що негативно впливає як на пластичність, так і на штампованість сталі.

а б

в г

Рис.1. Мікроструктура холоднокатаного штабового прокату товщиною 1,8 мм (а, в) і гарячекатаного товщиною 1,5 мм (б, г): а, б - 1000, в, г - 25

При аналізі текстури встановлено, що гаряча прокатка тонких штаб товщиною 1,5 мм зі сталі 08пс, приводить до формування вкрай нерівномірної текстури по їхньому перерізу. Для поверхневої зони характерна текстура “рекристалізаційного” типу з переважним орієнтуванням феритних зерен площинами додекаедра {110} паралельно площині прокатки, яка описується аксіальним орієнтуванням {110}<uvw>, а також менш інтенсивним орієнтуванням {134}<351>. У серединній зоні виражена аксіальна текстура {100}<uvw>, яка обертається навколо напрямку нормалі до площини прокатки. У холоднокатаному відпаленому і дресированому прокаті товщиною 1,8 мм текстура по перерізу рівномірна, і рівень інтенсивності {111}<uvw> в цілому вище, однак текстура виражена дуже слабко.

Проведення рекристалізаційного відпалу в суб- і міжкритичному інтервалах температур дозволило встановити наступне. Тривала витримка протягом 12 годин при 700 °С и 740 °С підсилює різнозернистість фериту по перерізу прокату. Розмір зерна феррита в поверхневій зоні при цьому може в 10-40 разів перевищувати такий для серединної зони прокату. Настільки виражена разнозернистость у відпаленому горячекатаному штабовому прокаті обумовлює, незважаючи на помітне зниження міцностних властивостей, низькі показники пластичності. Однак при більш низьких температурах відпалу (600-650 °С) і меншої тривалості витримки (наприклад протягом 2-х годин) завдяки одночасній реалізації механізмів розподілу зерен у поверхневій і коалесценції в серединній зонах, можливе одержання металу з більш низьким рівнем різнзернистості по перерізу. Крім того відпал сприяє трансформації перлітних колоній у дрібнодисперсний цементит, рівномірно розподілений по об’єму феритної матриці. Текстурні дослідження показують, що проведення зазначеного відпалу не усуває властиву гарячекатаному прокату неоднорідність текстури по перерізу. Однак рівномірність структури по перерізу підвищується, що як показали проведені випробування за методом Свіфта, поліпшує здатність металу до глибокої витяжки.

У багатьох роботах указується, що утворення різнозернистості пов’язане з деформацією в двофазній області, границі якої можна визначити за термокінетичними діаграмами. Але переважна більшість робіт, спрямованих на вивчення кінетики протікання фазових перетворень, не враховують коливання хімічного складу в межах марочного і вплив попередньої гарячої деформації. Тому в четвертому розділі були вивчені закономірності впливу вмісту вуглецю, швидкості охолодження і ступеня попередньої гарячої деформації на кінетику фазових перетворень у низьковуглецевих сталях.

Результати досліджень узагальнені у вигляді термокінетичних діаграм (рис. 2). Критичні точки при нагріванні складають: для сталі 08кп Ас1=720 °С, Ас3=885 °С і для сталі Ст3кп 720С і 860 С, відповідно. Аналіз отриманих результатів показав, що деформація зразків зі сталі марок 08кп і Ст3кп приводить до зниження стійкості переохолодженого аустеніту, зміщуючи значення Ar3 в область більш високих температур. Вплив деформації на величину температури Ar1 незначний для обох марок сталі. Збільшення швидкості охолодження зміщує критичні точки Ar3 і Ar1 в область більш низьких температур як на недеформованих зразках, так і на попередньо деформованих зразках. Причому, збільшення швидкості охолодження від 5 до 20 С/с зразків зі сталі 08кп знижує температуру Ar3 на 5-10 С, а зі сталі Ст3кп – на 25-30 С. Збільшення вмісту вуглецю в сталі зміщує критичні точки Ar1 і Ar3 в область більш низьких температур. Так, у порівнянні зі сталлю 08кп критичні точки Ar3 і Ar1 для сталі Ст3кп при режимах прокатки, застосовуваних для виробництва тонких штаб, нижчі на 30-50 С и складають 780-800 С и 670-690 С, відповідно.

а

б

Рис. 2. Термокінетичні діаграми сталей 08кп (а) і Ст3кп (б), побудовані з урахуванням впливу попередньої гарячої деформації (суцільним лініям відповідає недеформований стан металу, пунктирними – деформація 40 %)

Аналіз температурно-швидкісних умов прокатки штаб товщиною 2,0-1,5 мм показав, що швидкість їхнього охолодження в останніх міжклітьових проміжках чистової групи клітей складає 12-30 С/с. Ступінь деформації в останньому проході складає 11-25 %, а з урахуванням впливу попередніх проходів (неповного знеміцнення металу) – 16-40 %. Для цих умов значення температури Ar3 складають 830-860 С при вмісті вуглецю в сталі 0,09 % і 780-810 С – при вмісті вуглецю в сталі 0,15 %. Значення Ar1 складають відповідно 705-720 С і 670-690 С. Таким чином, при гарячій прокатці штаб з низковуглецевих сталей товщиною 2,0 мм і менше на традиційних широкоштабових станах (температура кінця прокатки 770-830 С, змотування 570-650 С) розпад аустеніту починається в третій - четвертій клітях чистової групи і закінчується на відвідному рольгангу.

У п'ятому розділі приведені результати досліджень впливу ступеня і температури деформації при гарячій прокатці, а також наступного рекристалізаційного відпалу на формування зеренної структури в штабах з низьковуглецевих сталей 08кп і Ст3кп. Результати подібних досліджень звичайно представляються у вигляді діаграм рекристалізації. Аналіз науково-технічної літератури показав, що найбільша кількість досліджень була проведена шляхом холодної деформації металу з наступним відпалом (отримані діаграми рекристалізації першого роду). Очевидно, це пояснюється простотою проведення експериментів і меншою кількістю факторів, що впливають. При побудові діаграм рекристалізації другого роду (після гарячої прокатки) дослідники використовували різні параметри і способи деформації і післядеформаційної обробки зразків, що приводить до неспівставності одержаних результатів. У зв’язку з цим у цій роботі були побудовані діаграми рекристалізації третього роду низьковуглецевої сталі при прокатці в широкому температурному і деформаційному інтервалах з урахуванням зміни вмісту вуглецю.

Результати дослідження узагальнені у вигляді діаграм рекристалізації третього роду. Так як мікроструктура зразків характеризувалася значною різнозернистістю по товщині, а статистично достовірна залежність величини розміру зерна фериту від температури і ступеня деформації просліджувалася тільки для серединних шарів, то діаграма рекристалізації була побудована тільки для цих ділянок (рис. 3). З аналізу діаграми рекристалізації сталі 08кп для середини штаб видно, що підвищення ступеня деформації від 0 до 10 % приводить до збільшення розміру зерна фериту від 25 до 60 мкм. Подальше збільшення ступеня деформації до 50 % монотонно подрібнює зеренну структуру сталі. Зниження температури прокатки з 950 С до 650 С приводить до зменшення розміру зерен фериту у всьому інтервалі ступенів деформації. Аналогічна залежність впливу температури і ступеня деформації на розмір зерна фериту, отримана і для сталі Ст3кп, тільки пік росту зерен менш виражений і спостерігається при ступені деформації 14 %.

Мікроструктура в поверхневих шарах, характеризується різнозернистістю і носить несистематичний, безладний характер, що має одну загальну рису – зерна біля поверхні утворюються дуже великі. Найбільший розкид розмірів зерен фериту (від 50 до 180 мкм) характерний для штаб, прокатаних у ферито-аустенітній області. У цьому випадку розміри зерен часто відрізняються навіть на аналогічних зразках, що вказує на крайню нестабільність процесу утворення грубозернистого поверхневого шару в двофазній температурній області прокатки. Тому для наочного відображення впливу температури і ступеня гарячої деформації на зеренну структуру поверхневих ділянок штаб були побудовані діаграми рекристалізації особливого виду (рис. 4), що показують області утворення великих зерен у поверхневих шарах досліджених сталей.

а б

Рис. 3. Діаграми рекристалізації третього роду для серединних шарів сталей 08кп (а) і Ст3кп (б)

а б

Рис. 4. Діаграми рекристалізації третього роду для поверхневих шарів сталей 08кп (а) і Ст3кп (б)

Порівняльний аналіз впливу температурно-деформаційних режимів прокатки на структуру центральних і поверхневих шарів зразків показав, що деформація сталі 08кп при температурах від 900 до 950 С зі ступенем менш 20 і 35% відповідно, сприяє утворенню рівномірної по перерізу прокату структури. Зниження температури прокатки до 850-750 С приводить до різкого укрупнення зерен у поверхневих шарах при ступенях деформації менше 40%. Однак подальше зниження температури деформації до 700-650 С дозволяє одержати рівномірну по товщині структуру при ступені деформації більше 15 %.

Для сталі Ст3кп ситуація дещо інша. Прокатка штаб при 950 і 850 С у всьому дослідженому інтервалі ступенів деформації приводить до утворення рівномірної по товщині зеренної структури металу. Зниження температури прокатки до 800-750 С приводить до укрупнення зерен у поверхневих шарах при ступенях деформації менше 35%. Так само як і для сталі 08кп рівномірна по перерізу штаб структура утворюється при деформації металу при температурі 650-700 С и ступеня деформації більше 15 %.

Після прокатки обох сталей при температурі 650 С и ступеня деформації більше 30 % зерна мають витягнуту форму по всьому перерізу.

Таким чином, при всіх досліджених температурах прокатки існує ступінь деформації, вище якого після відпалу в металі утвориться тільки рівномірна зерена структура, для сталі 08кп це 40 %, а для Ст3кп – 35 %.

Для визначення впливу нерівномірності деформації по перерізу штаб і впливу охолодження поверхні при деформації внаслідок контакту з валками на структуру сталі були прокатані пакети з двох, складених разом, плоских зразків. Використання даних пакетів дозволило створити на внутрішніх, складених разом, поверхнях прокату практично такі ж температурно-деформаційні умови, як у центральних шарах суцільного зразка аналогічної товщини. Результати експериментів показали, що після проведення відпалу великі зерна утворилися як на зовнішніх, так і на внутрішніх поверхнях, що прилягають одна до одної. Діаметр зерен фериту в зовнішніх шарах складених зразків склав 50-240 мкм, а у внутрішніх, що прилягають один до одного – 50-200 мкм, відповідно. З цього випливає, що охолодження поверхні у валках не надає значного впливу на утворення аномальної структури. Крім того, нерівномірність деформації по товщині також не є основною причиною утворення великих зерен у поверхневих шарах прокату.

У роботі була проведена прокатка пласких зразків з використанням скляного мастила, що наносили на одну з поверхонь штаб для зменшення коефіцієнту зовнішнього тертя при прокатці. Дослідження мікроструктури показало, що зерна в поверхневому шарі, на яке наносилося мастило, приблизно в 1,5 – 2 рази менші (30-100 мкм), ніж у поверхневому шарі, який прокатувався без неї (рис.5).

а б

Рис. 5. Мікроструктура поверхневого шару відпалених зразків, 200

а – прокатка без скляного мастила, б – прокатка зі скляним мастилом

Встановлено, що такі загальновизнані фактори утворення грубозернистого шару на поверхні штаб, як нерівномірність розподілу хімічних елементів по товщині штаб, підохолодження поверхні металу у валках і нерівномірність деформації по товщині, не надають значного впливу на цей процес. Отримані результати дозволяють припустити, що утворення поверхневого грубозернистого шару в прокаті зв’язано з іншими процесами, наприклад з особливостями виділення других фаз і текстуроутворення в процесі гарячої прокатки й охолодження штаб на відвідному рольгангу і в рулонах.

У процесі досліджень було встановлено цікаве явище: на клиноподібних зразках, у переважній більшості випадків грубозернистий поверхневий шар утворюється з боку тієї поверхні, що не піддавалася шліфуванню. У зв'язку з цим можна припустити, що на процес утворення зональної різнозернистості можуть впливати інші фактори, наприклад, особливості литої структури сталі і розподілу дисперсних фаз, а також, що дуже важливо, процеси текстуроутворення.

В шостому розділі досліджені особливості формування текстури і мікроструктури при прокатці штабової сталі в аустенітній, двофазній і феритній областях і впливу наступного відпалу, що моделює зматування прокату в рулон, на їхню трансформацію.

Рентгеноструктурні дослідження показали, що при прокатці в аустенітній області (950 С) поверхневий і серединний шари штаб характеризуються слабовираженою багатокомпонентною текстурою. Після проведення рекристалізаційного відпалу характер низької текстурованості зразків зберігається, а структура фериту по перерізу штаб рівномірна.

Такою ж слабовираженою багатокомпонентною текстурою і рівномірним зерном фериту по перерізу характеризуються гарячекатані штаби, отримані прокаткою у феритній області при 650 С, хоча при деформаціях більших 30 % зерна витягнуті в напрямку прокатки (коефіцієнт витягнутості складає КВ1,2). Рекристалізаційний відпал при температурі 680 С, тривалістю 2,5 год. з наступним охолодженням з піччю, приводить до глобулізації зерен без видимих змін їхніх розмірів. Рекристалізаційний відпал прокату, отриманого в цій області, як і у випадку зразків прокатаних при 950 С, не приводить до істотної зміни структури і текстури по перерізу прокату. Також у відпалених зразках збільшується кількість орієнтировки {111} за рахунок часткової трансформації при відпалі вихідної компоненти {110}<001>.

У результаті прокатки в двофазній ферито-аустенітній області (800 С) по перерізу прокату формується вкрай різнорідна текстура з вираженою аксіальною орієнтировкою {110}<uvw> і обмеженою орієнтировкою {134}<531> у поверхневому шарі й орієнтировкою {140}<001> у серединному. Мікроструктура зразків, прокатаних при даній температурі й охолоджених на повітрі, як і в попередніх випадках, є рівномірною по всьому перерізу. Наступний рекристалізаційний відпал прокату приводить до утворення в його поверхневому шарі надзвичайно великих зерен розміром 100-120 мкм, що на порядок перевищує розмір зерен фериту в серединній зоні. Формування настільки нерівномірної структури по перерізу пояснюється текстурним фактором – наявністю в поверхневому шарі прокату, отриманого деформацією при 800 С, вираженої аксіальної орієнтировки {110}<uvw>, що ініціює аномально високу швидкість росту зерен фериту при вторинній рекристалізації.

Дослідження текстури зразків, прокатаних пакетом, показало наступне. Після прокатки й охолодження на повітрі переважними компонентами текстури на внутрішній складеній поверхні металу є {111}<110> і {100}<011> з незначною часткою {110}<001>. Після проведення відпалу на внутрішній поверхні значно збільшується частка несприятливої компоненти {110}<001>, тобто характер текстури внутрішньої поверхні наближається до зовнішнього, наслідком чого є укрупнення зерен не тільки на зовнішніх, але і на внутрішніх, складених разом поверхнях. Це говорить про те, що усунення підохолодження поверхні у валках і зміна схеми напруженого стану приводять до збільшення на внутрішній поверхні сприятливих компонент текстури в порівнянні з зовнішньою поверхнею, однак після проведення відпалу їхня значна частина трансформується в несприятливі.

Прокатка зразків при 800 С з застосуванням скляного мастила, яке зменшує коефіцієнт зовнішнього тертя, дуже помітно впливає на характер формованої текстури, знижуючи в поверхневих шарах кількісну частку аксіальної компоненти {110}<uvw> і збільшуючи частку аксіальної напівобмеженої компоненти текстури {111}<uvw>. У результаті цього при наступному відпалі розходження в розмірах зерен поверхневого і серединного шарів стає менш вираженим, у порівнянні зі зразками, прокатаними без змащення (знижується у 1,5-2 рази).

Проведені експерименти підтвердили, що причиною підвищення частки компоненти текстури {110}<uvw> при прокатці низьковуглецевої тонкоштабової сталі в двофазній області, є вплив на текстуру поверхневих шарів сильних зсуваючих деформацій, обумовлених силами зовнішнього тертя. З цих позицій можна пояснити і розходження текстур у поверхневих шарах зразків, прокатаних при різних температурах (950, 800, 650 С). Пов’язано це з тим, що залежність коефіцієнта зовнішнього тертя при прокатці від температури носить екстремальний характер внаслідок особливостей складу і властивостей окалини. Максимальний коефіцієнт тертя, як показано в роботах І.М.Павлова та О.П.Грудєва, спостерігається при температурі близько 800 С, що пояснює утворення підвищеної частки компоненти текстури {110}<uvw> в поверхневих шарах зразків, прокатаних при цій температурі.

Запропоновані рекомендації, які будуть враховані при оптимізації технології виробництва тонких гарячекатаних штаб з низьковуглецевих марок сталей після реконструкції стану 1680 ВАТ МК “Запоріжсталь”.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

У дисертації проведені теоретичне узагальнення і запропоновані нові рішення наукових і практичних задач, що полягають у підвищенні структурної однорідності і поліпшенні комплексу механічних властивостей низьковуглецевої гарячекатаної тонкоштабової сталі.

1. Показано, що одним з основних напрямків розвитку виробництва широкоштабового прокату є нарощування випуску гарячекатаних тонких штаб (0,8 – 1,8 мм), використовуваних для заміни більш дорогого холоднокатаного металу. Однак тонкі гарячекатані штаби поступаються холоднокатаним по параметрах структури, які визначають здатність металу до штампування і зокрема здебільшого характеризуються різнозернистістю по перерізу. Аналіз літературних даних указує на різноманіття причин її утворення. Однак умови утворення і механізми даного ефекту дотепер однозначно не встановлені.

2. Уточнено вплив попередньої гарячої деформації на положення фазових областей сталей 08кп і Ст3кп при безперервному охолодженні. Показано, що деформація металу зі ступенем =10-40 % приводить до підвищення температур Ar3 на 10-30 С. Збільшення вмісту вуглецю (з 0,09 до 0,15 %) у низьковуглецевій сталі знижує температуру Ar3 на 30-60 С і підвищує стійкість переохолодженого аустеніту, у тому числі на попередньо деформованих зразках.

3. Встановлено, що після охолодження гарячекатаних штаб на повітрі зеренна структура по перерізу є рівномірною при всіх режимах прокатки. Різнозернистість по перерізу виявляється на штабах прокатаних у двофазній області і тільки лише після проведення ізотермічного відпалу, що імітує змотування в рулон. Це вказує на схильність такого металу до утворення різнозернистості, що є наслідком різниці в текстурі й пружно-напруженому стані поверхні і центра штаби.

4. За результатами дослідження зеренної структури відпалених зразків зі сталей 08кп і Ст3кп побудовані діаграми рекристалізації. Найбільша різнозернистість по товщині зразків спостерігається при температурах 700 – 800 С. Після деформації при температурі 750 – 800 С для сталі Ст3кп і 800 С для сталі 08кп спостерігається на поверхні шар великих зерен навіть при ступенях деформації до 35 – 40%. Після прокатки при температурі 650 С зеренна структура штаб з обох сталей характеризується рівномірністю по перерізу зразка.

5. Вперше встановлено, що в надтонкому штабовому гарячекатаному прокаті зі звичайної низьковуглецевої сталі різнозернистість фериту по перерізу, що утворюється при рекристалізаційному відпалі, пов’язана з розходженням текстури поверхневих і серединних шарів. Проведенням серії спеціальних експериментів встановлено, що як вважається, загальновизнані фактори утворення грубозернистого шару на поверхні штаб, а саме підохолодження поверхні металу у валках і нерівномірність деформації по товщині не надають значного впливу на цей процес.

6. Після прокатки штаб при температурах 650-950 С і охолодження на повітрі текстура є нерівномірною по перерізу. При прокатці в аустенітній і феритній областях текстура утворюється відносно сприятлива для штампування. При температурі деформації 800 С, тобто в двофазній аустенітно-феритній області, в поверхневих шарах формується несприятлива текстура типу {110}<uvw> і {100}<uvw>.

7. Прокатка штаб з низьковуглецевих сталей в аустенітній області й охолодження в рулоні приводить до утворення відносно рівномірної слабовираженої текстури. При охолодженні штаби в рулоні після прокатки в аустенітній і двофазній областях, відбувається загострення вже сформованих переважних орієнтировок. В процесі цього текстура поверхневих шарів штаб, прокатаних у двофазній області, приводить до утворення великих зерен. У металі, прокатаному у феритній області, текстура при охолодженні в рулоні трансформується зі збільшенням частки позитивних компонент.

8. Причиною підвищення частки компоненти текстури {110}<uvw> при прокатці низьковуглецевої тонкоштабової сталі в двофазній області є вплив на приповерхневі шари металу сильних зсуваючих складових деформації, величина яких визначається коефіцієнтом зовнішнього тертя. Максимальне значення коефіцієнта тертя спостерігається саме при температурах, що відповідають двофазній аустенітно-феритній області. Застосування змащення при гарячій прокатці приводить до зменшення частки несприятливої компоненти текстури {110}<uvw> і утворенню вираженої аксіальної напівобмеженої компоненти {111}<uvw>, сприятливої для штампування, що ще більш підсилюється після охолодження штаби в рулоні.

9. Для запобігання одержання грубозернистої структури в поверхневих шарах штаб з низьковуглецевої сталі в промислових умовах рекомендувано закінчувати прокатку тонких штаб або в аустенітній, або у феритній областях. У випадку неможливості реалізації цих режимів, тобто при закінченні прокатки в двофазній області, сформувати більш рівномірну і сприятливу текстуру можливо за рахунок застосування технологічного змащення, що зменшує коефіцієнт зовнішнього тертя. При несприятливій текстурі металу після прокатки, запобігти утворенню великих зерен на поверхні можна застосуванням низькотемпературного змотування (не вище 500-550 С), що пригнічує процеси вторинної рекристалізації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНИЙ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. Левченко Г.В., Воробей С.А., Янковский А.В. Анализ причин формирования неравномерности структуры по сечению тонких горячекатаных полос // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – К.: Наукова думка, 2002. - С. 250-256.

2. Левченко Г.В., Нестеренко А.М., Янковский А.В. Особенности рекристаллизации феррита низкоуглеродистой горячекатаной стали при отжиге // Теория и практика металлургии. - № 1. - 2003. - С. 54-59.

3. Вакуленко І.О., Левченко Г.В., Янковський О.В., Симененко О.В. Дослідження впливу структурних параметрів на властивості тонколистової сталі // Металознавство та обробка металів. - №3. - 2003.- С. 3-8.

4. Путноки А.Ю., Тилик В.Т., Калабухов В.И., Левченко Г.В., Иванченко В.Г., Янковский А.В. Направления повышения эффективности производства и применения конструкционной тонколистовой стали // Металл и литье Украины.- № 9-10.- 2003.- С.

5. Штехно О.Н., Фогель Б.М., Левченко Г.В., А.М.Нестеренко, А.В.Янковский. Особенности текстурообразования в горячекатаной тонколистовой стали // Сталь.- № 10.- 2003.- С. 62-64.

6. Левченко Г.В., Воробей С.А. Янковский А.В. Исследование причин образования крупнозернистой структуры в поверхностных слоях горячекатаного тонколистового проката // Теория и практика металлургии.- № 2.- 2004.- С. 49-53.

7. Янковский А.В., Левченко Г.В., Воробей С.А. Исследование влияния температуры и степени деформации на величину зерна феррита в низкоуглеродистой листовой стали // Теория и практика металлургии.- № 5.- 2004.- С.24-26.

8. Янковский А.В., Левченко Г.В., Воробей С.А.и др. Влияние температурно-деформационных параметров прокатки тонколистовой низкоуглеродистой стали на кинетику распада аустенита // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. – К.: Наукова думка, 2004. - С.

Особистий внесок здобувача в публікаціях: вибір напрямку досліджень [4]; порівняльний аналіз впливу температурно-деформаційних умов виробництва тонких штаб на їхню структуру, текстуру і властивості [1-3, 5]; постановка мети, розробка методики і проведення експериментальних досліджень, а також узагальнення їхніх результатів [6-8].

АНОТАЦІЯ

Янковський О.В. Особливості формування структури тонких гарячекатаних штаб і розробка технологічних режимів, що запобігають утворенню різнозернистості. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – “Металознавство і термічна обробка металів”. – Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена вивченню природи утворення різнозернистості і розробці технологічних параметрів виробництва гарячекатаного тонкоштабового прокату, що дозволяють одержати структурний стан і рівень механічних властивостей сталі, близьких до холоднокатаного стану.

Метою роботи було встановлення закономірностей впливу температурно-деформаційних режимів гарячої прокатки і наступного охолодження на структуро- і текстуроутворення низьковуглецевої сталі в поверхневих і серединних шарах тонких гарячекатаних штаб.

Проведено порівняльний аналіз структури і текстури тонких гарячекатаних