ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ІМ. З.І. НЕКРАСОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

ЧЕРНИЧЕНКО ВАЛЕНТИНА ГРИГОРІВНА

УДК 621.785:669.15' 781-194:621.73:543.083.133

РОЗРОБКА ХІМІЧНОГО СКЛАДУ І РЕЖИМІВ ТЕРМОМЕХАНІЧНОЇ ОБРОБКИ БОРОВМІСНОЇ СТАЛІ ДЛЯ ХОЛОДНОЇ ОБ’ЄМНОЇ ШТАМПОВКИ

Спеціальність 05.16.01

”Металознавство та термічна обробка металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2006

Дисертація є рукопис.

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

Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Парусов Володимир Васильович,

Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, завідувач відділом термічної обробки металу для машинобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Спиридонова Ірина Михайлівна,

Дніпропетровський національний університет Міністерства освіти та науки України, кафедра металофізики

кандидат технічних наук, доцент

Чайковський Олег Олександрович,

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти та науки України, кафедра матеріалознавства і обробки матеріалів

Провідна установа: Національна металургійна академія

України Міністерства освіти та науки України, кафедра термічної обробки металів

Захист відбудеться ”26” травня 2006 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 Інституту 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 НАН України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1.

Автореферат розісланий ”25” квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої

вченої ради К 08.231.01 Г.В.Левченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Підвищення вимог до якості металопродукції для машинобудування обумовлює необхідність розробки нових і удосконалення існуючих складів економнолегованих сталей, що використовуються для виготовлення високоміцних кріпильних виробів методом холодної об’ємної штамповки (ХОШ).

Основною вимогою до сталей, які застосовуються для вироблення високоміцного кріплення є висока прогартовуваність. Традиційно використовувані для цих цілей низьколеговані сталі містять такі дефіцитні легуючі елементи, як хром, нікель, молібден, ванадій і ін.

Боровмісні сталі для ХОШ, які все ширше застосовуються в машинобудуванні, володіють практично такою ж прогартовуваністю, як і традиційно використовувані низьколеговані сталі. Разом з тим, сумарний вміст легуючих елементів (хрому, нікелю, молібдену, ванадію і ін.) в низьколегованих сталях для ХОШ біль, ніж у 300 разів перевищують вміст бору в сталях аналогічного призначення.

Відомі боровмісні сталі для ХОШ не містять твердорозчинний (вільний) азот, який зв’язується, наявними в сталі алюмінієм і титаном, і тому бор при концентраціях 0,001-0,005 % (по масі) забезпечує необхідну прогартовуваність сталі.

В сталях, що не містять алюміній і титан, азот знаходиться у вільному стані (у твердому розчині). Тому мікролегування таких сталей бором при його концентраціях в межах 0,001-0,005 % приводить до повного зв’язування бору азотом і, отже, зменшенню прогартовуваності.

В зв’язку з цим розробка нових композицій хімічного складу боровмісної сталі для ХОШ, яка не містить алюміній та титан, та режимів термомеханічної обробки (ТМО) прокату зі сталі нового хімічного складу є актуальною науково–технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами і планами. Виконання дисертаційної роботи пов’язано з тематичними планами наукових досліджень Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України. Дослідження виконані в рамках держбюджетних, пошукових і госпдоговірних науково-дослідних робіт, № держ. реєстр.: 74010561; 76009396; 77035827; 78013861; 78022727; 78081886; 79013690; 80005443; 80009107; 81079671; 01822029075; 01830013237; 01830013252; 01900005550; 01890033841; 01890054637; UA01014057P; 0194U022323; 0194U022324; 0198U004205; 0102U004078; 0103U007244; 0104V005564, у яких автор брала участь у виконанні всіх етапів досліджень, дослідно-промисловому і промисловому освоєнні виробництва боровмісного прокату для ХОШ.

Мета досліджень. Розвиток теоретичних уявлень з впливу мікролегування і режимів ТМО на структуру і властивості сталі для ХОШ і розробка на їх основі технологічних рішень, які спрямовані на підвищення якості прокату з боровмісних сталей, що не містять добавок алюмінію і титану.

Задачі дослідження:

1. Розробити нові вимоги до хімічного складу бористої сталі для ХОШ, що не містить добавок алюмінію і титану.

2. Вивчити вплив співвідношення бору й азоту на прогартовуваність прокату для ХОШ.

3. Розробити новий метод прогнозного визначення прогартовуваності прокату для ХОШ.

4. Розробити режими знеміцнюючої ТМО прокату для ХОШ з бористих сталей і вивчити структуру і властивості після такої обробки.

5. Розробити нормативно-технічну документацію (НТД) на прокат для ХОШ з економнолегованих боровмісних сталей, що не містять добавок алюмінію і титану.

Об’єкт дослідження. Бористі сталі, які традиційно застосовуються для виготовлення високоміцних кріпильних виробів методом ХОШ з подальшою зміцнюючою термічною обробкою.

Предмет дослідження. Бористі сталі для ХОШ, які не містять добавок алюмінію й титану, та режими знеміцнюючої ТМО прокату з цих сталей.

Методи дослідження. Теоретичні розробки дисертації базуються на фундаментальних положеннях металознавства і термічної обробки металів, термодинаміки взаємодії хімічних елементів у сталі. При проведенні досліджень були використані сучасні методи: визначення хімічного складу сталі, мікроструктурний, електронно-мікроскопічний, мікрорентгено-спектральний, теплового та фізико-хімічного моделювання.

Наукова новизна:

1. Розроблено новий підхід до мікролегування сталі для ХОШ бором, відповідно до якого необхідна прогартовуваність досягається при вмісті бору, що перевищує на 0,003 % за масою вміст азоту. Створена сталь з обґрунтованими більш широкими межами вмісту бору (0,005–0,015 %) у порівнянні з раніше відомими (0,001-0,005 %), яка володіє високою прогартовуваністю при вмісті азоту до 0,012 %.

2. Одержали подальший розвиток уявлення про знеміцнюючу ТМО стосовно до прокату з боровмісної сталі для ХОШ, згідно з якими статична рекристалізація гарячедеформованого аустеніту і співвідношення фериту до перліту, близьке до рівноважного, забезпечуються при наступних режимах ТМО:

? закінчення гарячої деформації при температурі 1020-1070єС;

? охолодження водою зі швидкістю охолодження 100-300єС/с до температури 920-970єС;

? уповільнене охолодження зі швидкістю 0,3-0,4єС/с під теплоізоляційними кришками (екранами) до температури 500-550єС і подальшим охолодженням зі швидкістю 0,5-1,0єС/с до температури ~ 350єС.

3. Показано, що холодна деформованість боровмісної сталі для ХОШ зі структурою фериту і пластинчастого перліту обумовлена зниженням міцності і підвищенням пластичності за умови виконання встановленого співвідношення між вмістом бору й азоту в сталі (В/N =+ К/N), де К0,0025-0,0035 %).

4. Розроблено новий метод визначення прогартовуваності, зокрема, боровмісної сталі для ХОШ, заснований на ідентичності твердості загартованого зразка-проби, відібраного від рідкої сталі і твердості після загартування теплотехнічно еквівалентного зразка, відібраного від готового прокату, що дозволяє одержувати не тільки кількісні дані, але і побічно визначати наявність бору у твердому розчині заліза.

Практичне значення отриманих результатів.

На підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблена й в умовах СЗАТ ”Молдавський металургійний завод” (ММЗ) реалізована комплексна технологія виробництва прокату зі сталі з високими вмістами бору й азоту, виробленої в електродугових печах і розлитої в заготовки малого перетину на машинах безперервного лиття.

Розроблено НТД на виробництво сталі і прокату для ХОШ за традиційною (Криворізький меткомбінат) і новій (ММЗ) технологіями:

? ”Наскрізна технологічна карта № 1 на виробництво гарячекатаного прокату круглого з якісної конструкційної легованої сталі за ДСТУ 3684-98” від 25.12.2002 р.;

? ”Технічна угода про умови постачання гарячекатаного прокату в мотках з боровмісних сталей марок 12Г1Р, 20Г2Р и 30Г1Р” (ТС/ТО-02-2003 р.), затверджене 09.04.2003 м;

? Технічна карта № 2 з Додатком № 3 від 31.01.2005 р.

Розроблено методику оцінки якості поверхні прокату при випробуваннях на холодну осадку за еталонними шкалами.

По кооперації Криворізький меткомбінат – ВАТ ”Завод Червона Етна” і ММЗ – ВАТ ”Завод Красная Этна” випробувана наскрізна технологія виробництва кріплення класу 8.8 з боровмісного прокату.

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи. Аналітичний огляд, планування і проведення експериментальних досліджень виконані особисто автором. Аналіз і узагальнення результатів експериментальних і теоретичних досліджень проведені автором при консультаційній допомозі к.т.н. Біби В.І. та д.т.н. Тогобицької Д.М.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації повідомлені й обговорені на республіканському науково-технічному семінарі ”Шляхи поліпшення якості прокатної продукції” (м. Київ, 1978 р.), всесоюзній науково-технічній конференції ”Шляхи поліпшення властивостей металу і підвищення ефективності і якості виготовлення деталей методом холодної висадки” (м. Белебей, Башкирської АСР, завод Автонормаль, 1979 р.), всесоюзній науково-технічній нараді ”Удосконалення технології виробництва високоякісного металу для холодної висадки” (м. Череповець, 1983 р.), міжгалузевій науково-технічній конференції ”Конструкційні сталі – прогресивні процеси виробництва й ефективність застосування” (м. Дніпропетровськ, 1995 р.), міжнародних науково-технічних конференціях ”Проблеми сучасного матеріалознавства (Стародубівські читання)” (м. Дніпропетровськ, 2002-2005 рр.), об’єднаних наукових семінарах відділів металознавства і термічної обробки сталі Інституту чорної металургії ім. З.І.Некрасова НАН України (1978–2005 рр.).

Публікації. Матеріали дисертації викладені в 8 статтях, опублікованих у спеціалізованих журналах і тезах доповідей 8 наукових конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку літературних джерел і додатків. Матеріали роботи викладені на 137 сторінках, з яких 106 сторінок машинописного тексту; містять 29 рисунків; 32 таблиці; 10 сторінок – список використаних літературних джерел з 96 найменувань; 7 сторінок – 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі виконано аналіз науково-технічної і патентної літератури, присвяченої питанням виробництва прокату для ХОШ.

Показано, що для виготовлення високоміцних кріпильних виробів традиційно використовується прокат з вуглецевих (30, 35, 40, 45) і низьколегованих (30Х–45Х, 40ХН, 30ХГСА, 30ХМА, 38ХГНМ і ін.) сталей.

Перспективним є розвиток технології виробництва кріпильних виробів зі сталей, мікролегованих бором, технічні вимоги до яких регламентуються ДСТУ 3684 і технічними умовами.

Основним критерієм, що визначає придатність сталі для ХОШ, є деформованість її в холодному стані, що залежить від структурного стану металу і якості поверхні.

Згідно ДСТУ 3684 і ГОСТ 10702 придатність прокату до холодної висадки оцінюється за відповідністю його встановленим нормам при випробуваннях на осадку, розтягання, твердість і прогартовуваність. Виробничий досвід показав, що найбільш широке застосування для ХОШ мають сталі з відносним звуженням 50-60 %, проте з більш високою схильністю до холодної формозміни володіють сталі з відносним звуженням більше 60 %.

Об’єктивним критерієм деформованості металу при ХОШ вважається також відношення границі текучості до межі міцності, яке не повинно перевищувати 0,65 для деталей зі складною конфігурацією і 0,70 для деталей з порівняно простою конфігурацією.

Значний вплив на експлуатаційні властивості готових виробів робить глибина зневуглецювання поверхні прокату, що знижує опір зрізу різьби на кріпильних деталях.

На підставі аналізу науково-технічної і патентної літератури, з урахуванням сучасних тенденцій розвитку металургійного виробництва, а також вимог світового ринку до якості прокату для ХОШ, обґрунтована постановка мети й основних задач дисертаційної роботи.

В другому розділі приведені дані про матеріал і методику досліджень.

Для досліджень були вироблені дослідно-промислові плавки мікролегованих бором сталей марок 20Р, 30Р, 35Р, 30Г1Р, 35Г1Р, 26ХГР, 30ХР, 20Г2Р. Експерименти проводили на бористих сталях, що містять добавки алюмінію і титану, а також на сталях нового покоління, без зазначених добавок.

Для аналізу хімічного складу сталі використані спектрометри ARL - 3460, Spectrolab - M, Spectroflaim, газові аналізатори фірм LECO-TN 314 і ТС 436, Strohlein - моделі О-Н-N - Mat і ін. Механічні властивості прокату визначали відповідно до вимог ГОСТ 1497 на розривних машинах EU100 і EDZ - 40 німецької фірми WPM і Армавірського заводу ”Точмашприлад” (випробні машини моделей Р-20, Р-50, ІР-500) відповідно за ГОСТ 9012 і ГОСТ 9013. Вимірювання твердості за Бринелем і Роквелом проводили на приладах ТК 14-250 і ТР 5006 відповідно до ГОСТ 9012 і ГОСТ 9013, мікротвердості - на ПМТ_і LECO-MAT 240 за ГОСТ 9450.

Структурні параметри металу визначали на світловому мікроскопі Neophot 32, автоматичному аналізаторі зображення ІА–3001– LECO, електронних мікроскопах EF–2, VEGA TESKAN (Чехія) з мікрозондовими рентгенівськими і хвильовим мікроаналізатором фірми Oxford Instruments.

Розмір дійсного зерна визначали за ГОСТ 5639, зневуглецювання поверхні – за ГОСТ 1763 і ІСО 4954, макроструктуру – за ГОСТ 10243 і еталонними шкалами відповідних технічних умов, характеристики неметалевих включень – за ГОСТ 1778.

Оцінку поверхні зразків після осадки до 1/3 і 1/4 початкової висоти (група осадки 66 і 75) проводили за ГОСТ 8817 і за прийнятою у міжнародній практиці шкалою еталонів, відповідно до якої осаджені зразки повинні відповідати балам 0 і 1.

Для прогнозування властивостей готового прокату для ХОШ розраховували статистичні залежності між механічними характеристиками прокату і фізико-хімічним еквівалентом сталі Zу.

Оптимальне співвідношення між вмістами хімічних елементів у сталі і механічними характеристиками прокату застосовували методом багатокритеріальної оптимізації.

Третій розділ присвячений розвитку теоретичних аспектів, зв’язаних з розробкою нових підходів до вибору хімічного складу й основних показників якості прокату для ХОШ.

Бор, атомний діаметр якого лише ненабагато більше атомних діаметрів вуглецю й азоту, відрізняється високою дифузійною рухливістю в г- і б-залізі. Завдяки цьому виявляється його схильність до утворення сегрегацій на дислокаціях, субзеренних і зеренних границях, що приводить до зміни фазово-структурних перетворень у сталях при деформаційно-термічній обробці.

Існують різні думки про вплив температури аустенітизації боровмісних сталей на їх прогартовуваність. Згідно з першою з них прогартовуваність сталі з ростом температури аустенітизації зменшується через перехід бору по границях зерен із твердого розчину в хімічну сполуку з залізом, а згідно з другою – підвищується.

Логічно припустити, що встановлене в ряді випадків зниження прогартовуваності боровмісних сталей може бути в першому наближенні пояснено діаграмою стану Fe–B: в інтервалі температур 910–1000єС бор має меншу розчинність у -Fe, ніж в інтервалі температур 850–910єС у -Fe; при зменшенні розчинності бору в -Fe на границях аустенітних зерен виділяється Fe2B, у результаті чого прогартовуваність сталі знижується.

Аналіз зміни стандартної енергії Гібса (G0) при взаємодії бору з азотом, залізом і вуглецем при температурах 900–1200єС показав, що G0ВN < 0Fe2B < 0В4С. На підставі зіставлення характеру розподілу надлишкових боридних фаз у структурі низьковуглецевої сталі, мікролегованої бором, і зміни вільної енергії Гібса показано, що боридні фази являють собою з’єднання типу BN і Fe2B, а карбід бору не утвориться через більшу спорідненість бору до заліза, ніж до вуглецю.

Типова картина розподілу бору у вихідній структурі (гарячекатаний стан) сталі 20Р приведена на рис. 1, з якої випливає, що частина бору, що міститься в сталі, входить до складу часток надлишкової фази, що утворюють замкнуті ланцюжки виділень на границях колишніх аустенітних зерен. У сталі 20Р після загартування спостерігається більш рівномірний розподіл боровмісних часток, рис. 1, б.

а б

Рис. 1. Розподіл боровмісних фаз у структурі сталі 20Р:

а – гарячекатаний стан; б – загартування у воді від 930єС

При відсутності поточного контролю й абразивного зачищення поверхні безперервнолитих заготовок (БЛЗ) малого перетину (125х125 мм) уявлялося доцільним розрахунко–аналітичними методами з урахуванням утрат металу в окалину при нагріванні під прокатку і витяжці його при прокатці на готовий розмір визначити припустиму глибину дефектів на вихідній заготовці.

З урахуванням нормованої глибини поверхневих дефектів на гарячекатаному прокаті доцільно було визначити необхідний ступінь гарячої і холодної деформації при виробництві гарячекатаного і каліброваного прокату для ХОШ.

У результаті розрахунково–аналітичних досліджень було встановлено наступне:–

при глибині поверхневих дефектів на БЛЗ 2,48; 1,88 і 1,49 мм у готовому прокаті діаметром 6,5; 9 і 12 мм, відповідно, глибина дефектів не перевищує 0,1 мм;–

на каліброваному прокаті глибина залягання поверхневих дефектів, нормованих ГОСТ 1051 для груп поверхні Б и В (квалітети h10 і h11) забезпечується при ступені деформації гарячекатаного прокату не менш 19 %.

Важливою якісною характеристикою прокату для ХОШ, призначеного для виробництва високоміцних кріпильних виробів, є глибина зневуглецьованого шару. Для визначення цього показника якості прокату зі сталі 20Г2Р застосовували дві методики: традиційну – металографічний метод за ГОСТ 1763; нову – дюрометричний метод за ІСО 4954. Застосування нової методики дозволило більш об’єктивно визначати глибину зневуглецьованого шару, середня величина якої на 0,65 % абс. менша, ніж вимірюваної за методикою ГОСТ 1763. Це дозволило зменшити відбракування прокату для ХОШ через невідповідність нормі на глибину зневуглецьованого шару.

Розроблено новий метод прогнозного визначення прогартовуваності боровмісних сталей для ХОШ, заснований на ідентичності твердості загартованого зразка-проби, відібраного від рідкої сталі (”п’ятачкової” проби) і твердості теплотехнічно еквівалентного зразка, відібраного від готового прокату.

При відповідності твердості ”п’ятачкової” проби нормованому рівню, максимальний діаметр готового прокату, що має ідентичну твердість, визначається виходячи з залежності, яка враховує геометричні параметри (Нп’ят.прб і Dп’ят.прб – відповідно висота і діаметр) ”п’ятачкової” проби:

dпр = 15,5 Нп’ят.прб / (7,5 + 15 Нп’ят.прб / Dп’ят.прб).

Залежність діаметра готового прокату від висоти ”п’ятачкової” проби діаметром 34 мм приведена на рис. 2.

Розроблено параметри знеміцнюючої ТМО прокату для ХОШ з боровмісних сталей, яка передбачає закінчення прокатки в дротовому блоці при температурі 1020–1070єС, охолодження водою перед розкладкою у витки до 920-970єС зі швидкістю 100-300єС/с і повітряне охолодження витків прокату зі швидкістю 0,3-0,4єС/с на транспортері дротового стану до 500-550єС, а потім зі швидкістю 0,5-1,0єС/с до ~ 350єС. При знеміцнюючій ТМО співвідношення фериту (Ф) і перліту (П) близьке до рівноважного (Ф/П /35), внаслідок чого механічні характеристики прокату відповідають вимогам ТС/ТО-02-2003.

Рис. 2. Співвідношення між діаметром прокату і висотою ”п’ятачкової” проби, при яких середні швидкості охолодження зразків однакові

Статистичними методами встановлено взаємозв’язок між механічними характеристиками прокату для ХОШ з бористих сталей (міцностними і пластичними властивостями після знеміцнюючої ТМО і твердістю після загартування в маслі) і інтегральними (вуглецевий еквівалент Се, фізико-хімічний еквівалент Zу) чи індивідуальними показниками хімічного складу. Задовільна відповідність розрахункових і експериментальних значень механічних характеристик дозволяє прогнозувати властивості готового прокату зі сталі 20Г2Р за інтегральним показником Се чи Zу.

Методом багатокритеріальної оптимізації встановлено наступне:

? міцностні і пластичні характеристики прокату з бористих сталей, підданого знеміцнюючій ТМО, при спільному збільшенні вмісту азоту і бору зростають, рис. 3, а, б, в;

? при вмісті азоту до 0,0074 % підвищення вмісту бору приводить до зниження міцностних і підвищення пластичних характеристик прокату;

? твердість серцевини загартованого в маслі прокату з бористих сталей, що характеризує його прогартовуваність, досягає максимальних значень при вмісті азоту і бору в межах 0,0062-0,0080 % і 0,0062-0,010 %, відповідно, рис. , г.

Нижні межі вмісту азоту і бору характерні для сталей, у яких, поряд з бором, містяться добавки алюмінію і титану, а верхні межі – для бористих сталей нового покоління.

Четвертий розділ присвячений розробці хімічного складу бористої сталі для ХОШ нового покоління.

Рис. 3. Зміна межі міцності (а), відносного звуження (б), відносного подовження (в) і твердості (г) прокату в залежності від вмісту азоту і бору в сталі

(рисунок автентичний програмі)

Бориста сталь для ХОШ нового покоління містить як основні компоненти наступні хімічні елементи: 0,10-0,45 % C; 0,50-1,40 % Mn; 0,10-0,30; 0,002-0,012 % N і 0,005-0,015 % В. При цьому встановлено співвідношення, яке визначає вміст бору й азоту в сталі, виду: B/N = (1 + K / N), де К– перевищення вмісту бору над азотом, рівне 0,0025-0,0035На сталь зазначеного складу подана заявка на патент № а200603210 від 27.03.2006 р.

Розроблено технічну угоду (ТС/ТО-02-2003) на хімічний склад і властивості прокату зі сталі марок 12Г1Р, 20Г2Р та 30Г1Р, яка враховує запропонований новий підхід до мікролегованої бором сталі для ХОШ.

Сталь 12Г1Р не має аналогів за ДСТУ 3684 і її компоненти нормуються в наступних межах: вуглець 0,10-0,15; марганець 0,90-1,30; кремній ? ,20; нікель ? 0,15 %; мідь ? 0,20 %; хром ? 0,10 %.

У сталях 20Г2Р и 30Г1Р вміст вуглецю нормується відповідно в межах 0,20-0,25 % і 0,27-0,33 % (за ДСТУ 3684 – 0,18-0,26 % і 0,27-0,35вміст марганцю для всіх марок складає 0,90-1,30 % (1,30-1,60 % і 0,70-1,00 % для сталі марок 20Г2Р и 30Г1Р за ДСТУ 3684), вміст кремнію для всіх марок має бути не більше 0,20 % (0,17- 0,30 % для всіх марок за ДСТУ 3684).

У п’ятому розділі приведені матеріали досліджень якісних характеристик прокату для ХОШ з бористої сталі 20Г2Р нового покоління.

Показано, що макроструктура БЛЗ перетином 125х125 мм відповідає вимогам ОСТ-14-1-235-91 і ДСТУ 3684, а дефекти поверхні не перевищують припустиму глибину, встановлену в розділі 3.

Прокат діаметром 6,5-12,0 мм після знеміцнюючої ТМО за розробленим способом цілком відповідав вимогам техугоди ТС/ТО-02-2003 за механічними властивостями і співвідношення фериту і перліту в структурі металу практично відповідає рівноважному (Ф/П = 65/35).

Глибина зневуглецьованого шару не перевищувала 1,5 %.

Оцінка забруднення сталі неметалічними включеннями показала: оксиди точечні не перевищували бал 1,5; силікати недеформовні, крихкі і пластичні не перевищували бал 3; сульфіди не перевищували бал 1.

У шостому розділі приведені матеріали досліджень якісних характеристик прокату для ХОШ з бористої сталі 20Г2Р, що містить добавки алюмінію і титану. Згідно ”Наскрізній технологічній карті № 1 на виробництво гарячекатаного прокату круглого з якісної конструкційної легованої сталі за ДСТУ 3684–98” від 25.12.2002 р.

Катану заготовку перетином 150Ч150 мм піддавали абразивному зачищенню через наявність глибоких поверхневих дефектів. Вихід придатних заготовок після зачищення склав 100 %.

Після прокатки на діаметри 6,5–12,0 мм бористий прокат піддівали ТМО за режимами, близькими до розроблених для зміцнюючої ТМО.

Після ТМО прокат відповідав вимогам ДСТУ 3684 до механічних характеристик: ув ? 600 Н/мм2; ш ? 55 %; твердість ? 187 НВ.

При оцінюванні глибини зневуглецьованого шару застосовували методику ІСО 4954, за якою перевищень нормативних вимог установлено не було. Прокат витримував випробовування на холодну осадку за гр. 66.

У сьомому розділі показано, що незалежно від схеми мікролегування бористих сталей для ХОШ готове кріплення після зміцнюючої термічної обробки (загартування в маслі + відпуск при 470-510єС) відповідає класу 8.8.

ВИСНОВКИ

В роботі вирішено актуальну науково–технічну задачу, спрямована на підвищення комплексу механічних і технологічних властивостей прокату для ХОШ: розроблені хімічний склад боровмісної сталі нового покоління і режими знеміцнюючої термомеханічної обробки прокату з цієї сталі.

1. На підставі зіставлення характеру розподілу надлишкових боридних фаз у структурі низьковуглецевої сталі для ХОШ, мікролегованої бором, і змін вільної енергії Гібса при взаємодії бору з азотом, залізом і вуглецем при температурах 900–1200єС науково обґрунтовано припущення про те, що боридні фази являють собою з’єднання типу BN і Fe2B, а карбід бору не утворюється через більшу спорідненість бору до заліза, ніж до вуглецю.

2. Розроблено хімічний склад сталі для ХОШ, що містить як основну систему легування 0,10-0,45 % вуглецю; 0,50-1,40 % марганцю; 0,10-0,30 % кремнію; 0,002-0,012 % азоту і 0,005-0,015 % бору. При цьому встановлено співвідношення, що визначає вміст бору й азоту в сталі виду: B/N = (1+К/N), де К - дорівнює 0,0025-0,0035 %.

На боровмісну сталь нового покоління подана заявка на патент № а200603210 від 27.03.06 р.

3. Розроблено новий метод прогнозного визначення прогартовуваності боровмісної сталі для ХОШ, заснований на ідентичності твердості загартованого зразка-проби, відібраного від рідкої сталі, і твердості теплотехнічно еквівалентного зразка, відібраного від готового прокату.

4. На підставі розрахунково–аналітичних досліджень встановлено наступне:

? при наявності поверхневих дефектів на литій чи катаній заготовці глибиною 2,48; 1,88 і 1,49 мм глибина поверхневих дефектів на готовому прокаті діаметром 6,5; 9,0 і 12,0 мм, відповідно, не перевищує 0,1 мм;

? для забезпечення відповідності каліброваного прокату вимогам квалітету h10 і h11, ступінь холодної деформації гарячекатаного прокату з глибиною поверхневих дефектів до 0,1 мм має бути не менше 19 %.

5. Розроблено і погоджено технічну угоду ТС/ТО-02-2003 на прокат з боровмісних сталей 12Г1Р, 20Г2Р та 30Г1Р, у яку внесено наступні основні вимоги:

? вміст бору загальний в сталі має складати 0,005-0,012 %, що істотно перевищує звичайні норми (0,001-0,005 %);

? прогартовуваність, обумовлена за твердістю центральної зони загартованих натурних зразків прокату, повинна бути не менше HRC 35, HRC 37 і HRC 38, відповідно, для сталі марок 12Г1Р, 20Г2Р та 30Г1Р.

6. Розроблено параметри знеміцнюючої ТМО прокату для ХОШ із боровмісної сталі, яка передбачає закінчення прокатки в дротовому блоці при температурі 1020-1070єС, охолодження водою перед розкладкою у витки до 920-970єС зі швидкістю 100-300єС/с і повітряне охолодження витків прокату зі швидкістю 0,3-0,4єС/с на транспортері дротового стану до 500–550єС, а потім зі швидкістю 0,5-1,0єС/с до ~ 350єС.

При знеміцнюючій ТМО відбувається статична рекристалізація аустеніту і співвідношення фериту і перліту близько до рівноважного (Ф/П /35), унаслідок чого механічні характеристики прокату відповідають вимогам ТС/ТО-02-2003.

7. Статистичними методами встановлено зв’язок між механічними характеристиками прокату для ХОШ з бористих сталей (міцностними і пластичними властивостями після знеміцнюючої ТМО і твердістю після загартування в маслі) і інтегральними (вуглецевий еквівалент Се, фізико-хімічний еквівалент Zу) чи індивідуальними показниками хімічного складу. Задовільна відповідність розрахункових і експериментальних значень механічних характеристик дозволяє прогнозувати властивості готового прокату зі сталі 20Г2Р за інтегральним показником Се чи Zу.

8. Методом багатокритеріальної оптимізації показано:

? міцностні і пластичні характеристики прокату з бористих сталей, підданого знеміцнюючій ТМО, при спільному збільшенні вмісту азоту і бору зростають;

? при вмісті азоту до 0,0074 % підвищення вмісту бору приводить до зниження міцностних і підвищенню пластичних характеристик прокату;

? твердість серцевини загартованого в маслі прокату з бористих сталей, яка характеризує прогартовуваність, досягає максимальних значень при вмісті азоту і бору в межах 0,0062-0,0080 % і 0,0062-0,010 % відповідно.

Нижні межі вмісту азоту і бору характерні для сталей, у яких, разом з бором, містяться добавки алюмінію і титану, а верхні межі – для бористих сталей нового покоління.

9. Порівняльна оцінка результатів визначення глибини зневуглецьованого шару на прокаті зі сталі 20Г2Р за ГОСТ 1763 (метод М) і ІСО 4954 показала, що методика ІСО 4954, яка передбачає заміри твердості в поверхневих шарах зразка від попередньо загартованого в маслі прокату, дозволяє більш об’єктивно визначати глибину зневуглецьованого шару, середня величина якої на 0,65 % абс. менше, ніж обмірюваної за методикою ГОСТ 1763. Це дозволило зменшити відбраковування прокату для ХОШ через невідповідність його нормам за глибиною зневуглецьованого шару.

10. Показано, що прокат для ХОШ зі сталі 20Г2Р, вироблений за новою технологічною схемою, витримує випробування на холодну осадку за групами 66 і 75 і осаджені зразки відповідають балам 0 і 1 міжнародної еталонної шкали. Показники за холодним осадженням зразків від цього прокату були отримані без абразивного чи вогневого зачищення поверхні вихідної БЛЗ малого перетину (125х125 мм).

11. Показано, що незалежно від схем мікролегування сталі 20Г2Р бором (розроблена чи традиційна) болти, виготовлені методом ХОШ, після ідентичних режимів зміцнюючої термічної обробки (загартування + відпуск) відповідають класу 8.8.

Основний зміст дисертації відображено у публікаціях:

1. Узлов И.Г., Черниченко В.Г., Парусов О.В. /Технологические особенности производства проката из экономнолегированных марок стали для изготовления высокопрочного крепежа //Металл и литье Украины. – 1996. – № 1-2. – С. 19-22.

2. Производство проката для холодной высадки на меткомбинате “Криворожсталь” / В.В. Парусов, С.М. Жучков, А.П. Киселев, В.Г. Черниченко, В.А. Поляков, В.А. Кондрашкин //Сб. ИЧМ “Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии”. – 2002. – Вып. 5. – С. 182–187.

3. Опыт освоения производства проката для холодной высадки из стали 20Г2Р на меткомбинате “Криворожсталь” /В.В. Парусов, А.В. Кекух, В.Г. Черниченко, О.В. Парусов, В.А. Поляков, В.А. Кондрашкин // Металлургическая и горнорудная промышленность. –2004. –№2. – С.71–74.

4. Новая технология производства проката для холодной объемной штамповки из борсодержащей стали / В.В. Парусов, В.Г. Черниченко, О.В. Парусов, А.Б. Сычков, И.В. Деревянченко //Сб. ИЧМ “Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии”. –2004. –Вып. 7. – С.300–311.

5. Развитие научных и технологических основ производства проката в мотках /В.В. Парусов, В.Г. Черниченко, О.В. Парусов, А.Б. Сычков, Э.В. Парусов, С.Ю. Жукова //Сб. ИЧМ “Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии”. –2004. –Вып. 8. – С.284–302.

6. Влияние микролегирования бором на прокаливаемость электропечной стали / В.В. Парусов, В.Г. Черниченко, О.В. Парусов, А.Б. Сычков, И.В. Деревянченко / Строительство, материаловедение, машиностроение. Днепропетровск: РИА “Днепр-VAL”. –2004. –Вып.26. ч.1.- С.105–111.

7. Влияние бора на фазовые и структурные превращения в низкоуглеродистых сталях для холодной объемной штамповки /В.В. Парусов, О.В. Парусов, В.Г. Черниченко, А.Б. Сычков, И.В. Деревянченко, Д.Н. Тогобицкая, Э.В. Парусов //Теория и практика металлургии. –2004. –№6. – С. 69-74.

8. Особенности влияния бора на качественные характеристики стали для холодной высадки /В.В. Парусов, А.Н. Савьюк, О.В. Парусов, В.Г. Черниченко, И.В. Деревянченко, А.Б. Сычков, Ж.З. Чехута //Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Днепропетровск. –2005. –Вып.32. –ч.1. –С.62-68.

Додатково наукові результати відображено в публікаціях:

9. Сфероидизирующая обработка подката /И.Е. Долженков, И.И. Лоцманова, О.В. Бойко, В.Я. Савенков, В.И. Гейченко, Л.В. Подобедов, Ю.С. Чернобри-венко, В.И. Биба, В.Г. Черниченко. //Сб. науч. тр. ИЧМ. – М.: Металлургия, –1977. – С.44-47.

10. Чернобривенко Ю.С., Биба В.И., Черниченко В.Г. Опыт производства и переработки сортового подката в тяжеловесных мотках// Труды научно-технической конференции “Пути улучшения свойств металла и повышения эффективности и качества изготовления деталей методом холодной высадки”. - Белебей. -1979. –С.1-3.

11. Производство подката для калибровки и последующей холодной высадки / Ю.С. Чернобривенко, В.И. Биба, А.П. Лохматов, Г.П. Борисенко, Н.С. Михайлец, В.Г. Черниченко //Обзор. информ. (сер. 7) / Ин-т Черметинформация. -1980. -Вып.1. -31 с.

12. Состояние и перспективы производства подката для калибровки и последующей холодной высадки / Ю.С. Чернобривенко, В.И. Биба, А.П. Лохматов, Г.П. Борисенко, Н.С. Михайлец, В.Г. Черниченко //Обзор. информ. (сер. 57) / Ин-т Черметинформация. -1981. - Вып.1. -48 с.

13. Производство подката для холодной высадки из непрерывнолитого металла / В.И. Биба, В.Г. Черниченко, В.С. Лучкин, Л.В. Подобедов, В.А. Чернов, Н.Ф. Гончаренко //Черная металлургия. Бюллетень научно-технической информации № 9 (1085). Москва. –1989. – С.64-66.

14. Парусов В.В., Биба В.И., Черниченко В.Г. /Эффективность применения экономнолегированных борсодержащих сталей в машиностроении //Тезисы докладов. Межотраслевая научно-техническая конференция ”Конструкцонные стали – прогрессивные процессы производства и эффективность применения”. Днепропетровск. 26-27 октября 1995. – С. 14-16.

АНОТАЦІЇ

Черниченко В.Г. Разработка химического состава и режимов термомеханической обработки борсодержащей стали для холодной объемной штамповки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 – “Металловедение и термическая обработка металлов”. – Институт черной металлургии им. З.И.Некрасова НАН Украины, г. Днепропетровск, 2006.

На основании сопоставления характера распределения избыточных боридных фаз в структуре микролегированной бором низкоуглеродистой стали для холодной объемной штамповки (ХОШ) и изменения свободной энергии Гиббса при взаимодействии бора с азотом, железом и углеродом при температурах 900–1200єС, научно обосновано предположение о том, что боридные фазы представляют собой соединения типа BN и Fe2B, а карбид бора в рассматриваемой химической системе не образуется из-за бульшего сродства бора к железу, чем к углероду.

Разработан химический состав стали для ХОШ, содержащей в качестве основной системы легирования 0,10-0,45 % углерода, 0,50-1,40 % марганца, 0,10-0,30 % кремния, 0,002-0,012 % азота и 0,005-0,015 % бора. При этом установлено соотношение, определяющее содержание бора и азота в стали вида: B/N=(1+К/N), где К - коэффициент равен 0,0025-0,0035.

Разработан новый метод прогнозного определения прокаливаемости борсодержащей стали для ХОШ, основанный на идентичности твердости закаленного образца-пробы, отобранного от жидкой стали и твердости теплотехнически эквивалентного образца, отобранного от готового проката.

Разработано и согласовано техническое соглашение ТС/ТО-02-2003 на прокат из борсодержащих сталей 12Г1Р, 20Г2Р и 30Г1Р, в которое внесены следующие основные требования: содержание бора общего в стали должно составлять 0,005-0,012 %, что существенно превышает обычные нормы (0,001-0,005 %); прокаливаемость, определяемая по твердости центральной зоны закаленных натурных образцов проката, должна быть не менее HRC 35, HRC 37 и HRC 38 соответственно для стали марок 12Г1Р, 20Г2Р и 30Г1Р.

Разработаны параметры разупрочняющей ТМО проката для ХОШ, с применением которой были выпущены опытно-промышленные партии проката из стали, микролегированной бором, по традиционной и новой технологическим схемам.

Независимо от схемы микролегирования бором, изготовленный из стали 20Г2Р крепеж соответствовал классу 8.8 после упрочняющей термической обработки.

Ключевые слова: микролегированная бором сталь, прокат для холодной объемной штамповки, разупрочняющая термомеханическая обработка, макро- и микроструктура, механические свойства, прокаливаемость, глубина обезуглероженного слоя, неметаллические включения.

Черниченко В.Г. Розробка хімічного складу та режимів термомеханічної обробки боровмісної сталі для холодної об’ємної штамповки. – Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – “Металознавство та термічна обробка металів” – Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ, 2006.

На підставі зіставлення характеру розподілу надлишкових боридних фаз у структурі мікролегованій бором низьковуглецевої сталі для холодної об’ємної штамповки (ХОШ) і зміни вільної енергії Гібса при взаємодії бору з азотом, залізом і вуглецем при температурах 900–1200єС науково обґрунтовано припущення про те, що боридні фази являють собою з’єднання типу BN і Fe2B, а карбід бору в розглянутій хімічній системі не утвориться через більшу спорідненість бору до заліза, ніж до вуглецю.

Розроблено хімічний склад сталі для ХОШ, що містить як основну систему легування 0,10-0,45 % вуглецю, 0,50-1,40 % марганцю, 0,10-0,30 % кремнію, 0,002-0,012 % азоту і 0,005-0,015 % бору. При цьому встановлене співвідношення, що визначає вміст бору й азоту в сталі виду: B/N=(1 + К/N), де К - коефіцієнт рівний 0,0025-0,0035.

Розроблено новий метод прогнозного визначення прогартовуваності боровмісної сталі для ХОШ, заснований на ідентичності твердості загартованого зразка-проби, відібраного від рідкої сталі і твердості теплотехнічно еквівалентного зразка, відібраного від готового прокату.

Розроблено і погоджено технічну угоду ТС/ТО-02-2003 на прокат з боровмісних сталей 12Г1Р, 20Г2Р та 30Г1Р, у яку внесено наступні основні вимоги: вміст бору загального в сталі має складати 0,005-0,012 %, що істотно перевищує звичайні норми (0,001-0,005 %); прогартовуваність, обумовлена за твердістю центральної зони загартованих натурних зразків прокату, повинна бути не менше HRC 35, HRC 37 і HRC 38 відповідно для сталі марок 12Г1Р, 20Г2Р та 30Г1Р.

Розроблено параметри знеміцнюючої ТМО прокату для ХОШ, із застосуванням якої були випущені дослідно-промислові партії прокату зі сталі, мікролегованої бором, за традиційною і новою технологічними схемами.

Незалежно від схеми мікролегування бором, виготовлені зі сталі 20Г2Р кріплення відповідали класу 8.8 після зміцнюючої термічної обробки.

Ключові слова: мікролегована бором сталь, прокат для холодної об’ємної штамповки, знеміцнююча термомеханічна обробка, макро- і мікроструктура, механічні властивості, прогартовуваність, глибина зневуглецьованого шару, неметалічні включення.

Chernichenko V.G. Development of chemical compound and modes of thermomechanical processing boron steel for cold volumetric punching. –Manuscript.

The dissertation on competition of Candidate of technical science scientific degree by speciality 05.16.01 – “Metallurgical science and thermal processing of metals”. –Iron and Steel Institute named Z.I. Nekrasov, NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2006.

On the basis of character distribution comparison of superfluous boride phases in structure microalloyed the boron low-carbon steel for cold volumetric punching and changes in Gibbs free energy at interaction of a boron with nitrogen, iron and carbon at temperatures 900-120000С scientifically proves the assumption that boride phases represent connections of type BN and Fe2B, and carbide a boron in considered chemical system is not formed because of bigger affinities of a boron to iron, than to carbon.

The chemical compound of steel for cold volumetric punching, containing as the basic system alloying 0,10-0,45% of carbon, 0,50-1,40 % of manganese, 0,10-0,30 % of silicon, 0,002-0,012 % of nitrogen and 0,005-0,015 % of a boron Is developed thus the parity defining the maintenance of a boron and nitrogen in steel at kind is established: B/N = (1 + To / N), where K - factor equal 0,0025-0,0035.

The new method of look-ahead definitions boron steel hardenability for cold volumetric punching, based on identity of hardness of the tempered sample-test selected from liquid steel and hardness thermotechnically the equivalent sample selected from ready rolling is developed.

Technical agreement ТС/ТО-02-2003 on rolling from boron steels 12Г1Р, 20Г2Р and 30Г1Р in which following basic requirements are brought is developed and coordinated: the maintenance of a boron of the general in steel should make 0,005-0,012 %, that essentially exceeds usual norms (0,001-0,005 %); hardenability, defined on hardness of the central zone of the tempered natural samples of rolling, should be not less HRC 35, HRC 37 and HRC 38 accordingly for steel of marks 12Г1Р, 20Г2Р and 30Г1Р.

Parameters softening thermomechanical processing rolling