Приазовський державний технічний університет

Гаврилова

Вікторія Григорівна

УДК 669.14.004.12: 621.785 (043)

Підвищення механічних властивостей листового прокату боромістких сталей за рахунок регулювання структури, складу і режимів термообробки

Спеціальність: 05.16.01. - Металознавство та термічна обробка металів

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь - 2000

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі металознавства в Приазовськом державному технічному університеті (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ткаченко Федір Костянтинович,

завідуючий кафедрою металознавства

Приазовського державного технічного

університету, (м. Маріуполь)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Троцан Анатолій Іванович,

завідуючий відділом матеріалознавства інституту проблем матеріалознавства НАН України, (м. Київ)

кандидат технічних наук, доцент

Єгоров Микола Тимофійович,

завідуючий кафедрою фізичного матеріалознавства державного технічного університету, (м. Донецьк)

Провідна установа: Національна металургійна Академія

України, (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться “ 18 ” січня 2001р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.12.052.01 в Приазовськом державному технічному університеті за адресою: 87500, ПДТУ, пров. Республіки 7, м. Маріуполь, Донецька обл., Україна.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 87500, вул. Апатова 115, м. Маріуполь.

Автореферат розісланий “ 19 ” листопада 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор _______________В. О. Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розробка і освоєння виробництва економно-легованих сталей, які за своїми фізико-механічними, експлуатаційними та технологічними характеристиками не поступаються традиційно легованим сталям є однією з важливих задач металургії. Мікродомішки бору в кількості 0,001% дозволяють забезпечити такий самий ефект прогартованості в маловуглецевій низьколегованій сталі, як і під час введення 0,85 %Mn або 2,4 %Ni. Тому мікролегування сталей бором набуває значного поширення при виробництві листового прокату підвищеної міцності. Необхідність подальшого підвищення якості металопрокату з боромістких сталей з метою забезпечення його конкурентноздібності на світовому ринку, вимагає безперервного вдосконалення технології їх виробництва.

Актуальність теми. Необхідний рівень механічних характеристик боромістких сталей може бути забезпечений тільки внаслідок термозміцнення. Однак під час реалізації технологічних процесів виробництва таких сталей за стандартами США та їх термічної обробки виникають труднощі із забезпеченням стабільного рівня показників механічних властивостей металопродукції, зумовлені дією ряду факторів, що важко контролюються. Результатом цього є необхідність повторної термічної обробки прокату. Це вимагає додаткових матеріальних витрат, що приводить до підвищення собівартості продукції. Дослідження причин "аномальної" поведінки листового прокату з боромісткої сталі і розробка "нестандартних" режимів термозміцнення його дозволяє значно підвищити рівень виходу придатної продукції, що особливо важливо в умовах України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках довготермінового договору про науково-технічне співробітництво кафедри "Металознавство" ПДТУ та ВАТ "ММК"Азовсталь" з проблеми: "Підвищення якості металопродукції за рахунок регулювання складу сталей, а також макро- та мікроструктури в умовах МК "Азовсталь" від 25.10.1993 р., а також госпдоговірних НДР за темами: "Розробка і освоєння режимів термообробки товстолистової боромісткої сталі з метою поліпшення комплексу механічних властивостей і підвищення виходу придатної" (договір № 76/472, 1995 р., реєстраційний номер 8/95Ф від 1.01.1995р.) та "Вивчення можливості отримання високого комплексу механічних властивостей в сталях з підвищеним вмістом азоту" (договір № 59/318, 1994 р., реєстраційний номер 4/94Ф від 25.03.1994р.).

Автор дисертаційної роботи була одним з основних виконавців, брала участь у виконанні всіх розділів роботи, узагальненні результатів і оформленні звітів. Комп'ютерні розрахунки виконані особисто здобувачем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якісних показників і виходу придатного листового прокату з боромістких сталей, що виплавляються на ВАТ "ММК "Азовсталь" за стандартами США.

Об'єкт дослідження: Фактори, що зумовлюють відхилення характеристик механічних властивостей боромісткої сталі від необхідного рівня і технологічні процеси зміцнюючої обробки листового прокату, що забезпечують отримання стабільного комплексу механічних властивостей, які відповідають вимогам зарубіжних стандартів.

Предмет дослідження: Стан бору і азоту в сталі і вплив коливань вмісту цих елементів на рівень показників механічних властивостей. Вплив температурно-тимчасових параметрів режимів термозміцнення на структурний стан і механічні властивості боромістких сталей. Розробка технологічних процесів термозміцнення листового прокату, що забезпечують гарантоване отримання мехвластивостей на рівні вимог стандартів у разі недосягнення цього рівня після термообробки за діючою технологією.

Методи дослідження: Досягнення поставленої мети здійснювалося шляхом використання наступних методів дослідження.

Розрахунково- аналітичного для розв'язання питань, пов'язаних зі станом і поведінкою атомів бору та азоту в - та - твердих розчинах.

Математичної статистики з використанням комп'ютерних програм Mathcad і Excel при аналізі впливу коливань вмісту бору і азоту в промислових плавках на комплекс механічних властивостей.

Металографічний, з використанням мікроскопа "Neophot" та мікроаналізатора "Epiquant" - при розв'язанні питань, пов'язаних з аналізом структур після різних режимів термообробки.

Механічні випробування, що включають всі необхідні види визначення статичних та динамічних характеристик на стандартних зразках, вирізаних з листових проб, оброблених за різними режимами.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі виконаних розрахунково- аналітичних досліджень показано, що атоми бору, як і атоми вуглецю, а також азоту в гратах - заліза розчинені за типом проникнення. Це зумовлює їх конкуруючу взаємодію в аустеніті і підвищення його стабільності на початковій стадії розпаду.

Отримали подальший розвиток уявлення про взаємодію атомів бору, азоту і вуглецю з дислокаціями і субмежами. Уперше розраховані параметри взаємодії атомів цих елементів з дислокаціями в - Fe.

Уперше показана можливість комп'ютерного розрахунку кінетики початкової стадії розпаду і побудовані "С"-подібні криві, що відображають залежність періоду передперетворення від температури для нелегованого і мікролегованого бором аустеніту в інтервалі температур А3 - Мн*.

Отримали подальший розвиток уявлення про фактори, що визначають концентрацію Сг зерномежових концентрацій елементів проникнення в твердих розчинах на основі заліза; уперше отримане рівняння, що відображає залежність цієї величини від температури, розміру зерна і початкової концентрації елемента*.

Практичне значення отриманих результатів. На основі результатів виконаних аналітичних і експериментальних досліджень розроблені технологічні процеси термозміцнення листового прокату з боромістких сталей, що забезпечують гарантоване отримання необхідного рівня механічних властивостей у випадку, коли необхідні показники не досягаються під час термічного поліпшення за "стандартними" режимами.

Встановлено, що в більшості випадків підвищення характеристик механічних властивостей термополіпшенням боромістких сталей до рівня вимог стандарту ASTM A514 і вуглецевих ASTM A36 може досягатися за рахунок використання режимів аустенітизації, що включають проміжну витримку в міжкритичному інтервалі температур.

У зв'язку з підвищеною схильністю боромісткої сталі до покрихчування розроблені суворо регламентовані режими отпуску, що включають нагрів до певної температури з подальшим охолоджуванням у воді.

Уперше показано, що додаткове підвищення прогартовування листового прокату з боромістких сталей може бути отримане шляхом регулювання температури аустенітизації і умов подальшого охолоджування. Встановлено, що сприятливий вплив на прогартовування надає підстигання на повітрі, що передує охолоджуванню у воді.

Результати роботи пройшли промислові випрбовування на ВАТ "ММК "Азовсталь" при виробництві листового прокату з боромістких сталей, що виконуються за стандартом ASTM A514, а також використані при розробці

рекомендацій по вдосконаленню діючих режимів і розробці нових технологічних процесів термічного зміцнення листового прокату з боромістких сталей. При обсязі виробництва 33800 т/рік, очікуваний економічний ефект в умовах ВАТ "ММК "Азовсталь" становить 162240 гривень на рік (довідка про використання результатів дисертаційної роботи на ВАТ "ММК "Азовсталь", розроблені рекомендації по вдосконаленню технології термічного зміцнення прокату боромістких сталей відповідно до вимог

стандартів США ASTM A514 і техніко-економічне обгрунтування результатів роботи. Документи затверджені технічним директором ВАТ "ММК "Азовсталь" 19.05.1999 р.).

Особистий внесок здобувача. Аналітичні дослідження стану бору, азоту та вуглецю в аустеніті, взаємодія атомів цих елементів з дислокаціями, межами зерен і субмежами виконані та опубліковані в співавторстві. Комп'ютерні розрахунки, обробка матеріалів методами математичної статистики, лабораторні дослідження виконані особисто автором. Напівпромислові дослідження проводилися за безпосередньою участю здобувача. Всі роботи, пов'язані з впровадженням результатів виконаних НДР, також виконані за активною

*- Ідея та методика запропоновані співавтором - к. т. н., доц., І.Ф. Ткаченко

участю здобувача. Частка участі здобувача у виконанні вказаних вище НДР становить 80 %.

Випробування результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на IV - VI регіональних науково - технічних конференціях, м. Маріуполь (1997-1999р.), на наукових семінарах кафедри “Металознавство” ПДТУ в 1993-2000 р.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 5 статей в наукових збірниках, 5 тез доповідей на науково-технічних конференціях, 6 депонованих статей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури з 126 найменувань, 3 додатків та містить 116 сторінок машинописного тексту, 68 малюнків і 33 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ

Відображено стан наукової проблеми, обгрунтовано актуальність теми, наукову новизну і практичну цінність отриманих у роботі результатів, сформульовано мету дослідження.

Розділ 1. Стан питання і постановка завдання. Мікролегування бором вуглецевих та низьколегованих сталей набуває значного поширення як один з ефективних шляхів підвищення механічних, технологічних та експлуатаційних характеристик при одночасному зниженні витрати легувальних елементів, що дорого коштують: Ni, Mn, Cr, тощо. Розширення виробництва боромістких сталей на металургійних підприємствах України слід вважати одним з першочергових завдань у зв'язку з дефіцитом елементів, що названо. Незважаючи на те, що дослідженню впливу бору на фазові та структурні перетворення, механічні, технологічні та експлуатаційні властивості тривалий час приділялася значна увага, ряд питань теоретичного і прикладного характеру залишаються не розглянутими. До них, зокрема, належать: тип розчинення бору в - та - Fe, характер взаємодії бору з дефектами кристалічних граток, механізм впливу бору на прогартовування, характер взаємодії бору з азотом та вуглецем, а також інші питання. У прикладному плані, у зв'язку з виконанням значного обсягу замовлень фірм США на постачання листового прокату з боромістких сталей ВАТ "ММК "Азовсталь" за стандартами ASTM, виникла необхідність в уточненні даних про технологічні параметри термообробки, про вплив бору на ударну в'язкість, на прогартовування, відпускну крихкість та зростання зерна в сталях конкретного складу, а також у визначенні міри впливу коливань за вмістом бору й азоту на структуру та механічні властивості сталі. У першому розділі, з урахуванням різних літературних джерел, дано характеристику домішкових елементів, розчинених за типом проникнення, і їх вплив на структурний стан сталей, розглянуто особливості впливу бору на фазові перетворення й механічні властивості сталей, дано характеристику боромістких сталей виробництва країн Західної Європи, США та Японії, наведено вимоги, властивості та галузь застосування боромістких сталей.

Розділ 2. Загальна методика та основні методи дослідження. Методика виконання дослідження включала: вибір режимів термічної обробки матеріалів, що досліджуються; проведення металографічного аналізу з використанням оптичних мікроскопів "Epiquant" і "Neophot", визначення прогартовуваності, а також механічних випробувань у лабораторіях ВАТ "ММК "Азовсталь”, статистичну обробку результатів досліджень із застосуванням комп'ютерних програм MICROSOFT EXCEL та Mathcad.

Як матеріал для дослідження було обрано листові сталі, що виплавляються за стандартами ASTM A514 (марка В) і ASTM А36, з товщиною листів 12,7, 31,75 та 15,9 мм.

Стандарт ASTM A514 встановлює вміст хімічних елементів у межах: С- 0,120,21; Mn- 0,701,00; Р- 0,035; S- 0,035; Si- 0,200,35; Ni 0,02; Cr- 0,40,65; Мо- 0,150,25; V- 0,0030,08;Ti- 0,010,03; Zr- 0,050,15; Cu 0,02; B- 0,00050,05.

Стандарт ASTM A36 передбачає вміст: С- 0,26; Mn-0,26; Pmax-0,04; Smax-0,05; Simax-0,40; Cumin-0,20

Розділ 3. Вивчення впливу бору на мікроструктуру та механічні властивості листового прокату після термообробки за різними режимами.

Питання, що стосуються типу розчинення атомів бору в гратці -Fe, розглянуті на основі розрахунків енергії пружних викривлень, які виникають при введенні атомів цього елемента до октаедричних міжвузлів або у випадку заміщення ними атомів заліза. Деформація в цьому випадку оцінювалась за зміною об'єму октаедра. Така методика дає добрі результати для всіх елементів проникнення.

Використовуючи вихідні дані: =0,3; rB=0,089 нм, rFe = 0,126 нм, r0 = 0,0522 нм, а також G 6,62·106 Н/мм2 для t=4000С, внаслідок розрахунків отримані значення WВ 27113 та 84854 Дж/моль для розчинення за типом заміщення та проникнення, відповідно. Як видно, величина енергій пружних викривлень при розчиненні атомів бору в гратці -Fe за типом проникнення в 3 рази нижча, ніж для випадку утворення твердого розчину заміщення. Ці результати мають оцінний характер, однак вони дають підставу вважати, що атоми бору в - Fe займають переважно позиції проникнення в октаедричних міжвузлях. Порівняння значення WВ у позиції проникнення для бору з такою самою величиною для вуглецю, WС = 15435 Дж/моль, при rС=0,077 нм, відповідає даним про більш значну розчинюваність вуглецю в - залізі порівняно з бором. З цього випливає, що введення бору повинно зменшувати розчинювання вуглецю в -Fe та навпаки. Викривлення кристалічної гратки, що виникають у випадку розчинення атомів іншого компонента, є причиною утворення атмосфер Коттрелла навколо поодиноких дислокацій, а також у зоні розташування їх у вигляді субграниць.

Розрахунки, виконані аналогічно попереднім, дозволили встановити, що для положення максимального зв'язку атома бору з дислокацією при t = 400 °С величина енергії зв'язку дорівює U W 27 Кдж/моль. Вона зменшується зі збільшенням відстані від центру дислокації. Це зумовлює дрейф атомів бору в полі пружних викривлень з утворенням атмосфер Коттрелла. Розрахунки показують, що час виходу розчинених атомів із зони шириною X h: для бору В = 2 10-5 с, що нижче, ніж для вуглецю: С = 8 10-4 с. У зв'язку з цим вплив бору на стійкість переохолодженого аустеніту можна пояснити тим, що атоми цього елемента в процесі охолоджування за більш короткий час, ніж атоми вуглецю, утворюють атмосфери Коттрелла біля поодиноких дислокацій та їх груп, і таким чином сприяють збереженню концентрації вуглецю в аустеніті. Внаслідок цього знижується схильність його до розпаду в області температур нижчих, ніж точка АС3.

Виконано аналітичне дослідження кінетики початкової стадії розпаду нелегованого та мікролегованого бором аустеніту, що містить 0,20,6 %С. Виконано комп'ютерну побудову "С-подібних" кривих періоду передперетворення, які адекватно відображають вплив бору на стійкість переохолодженого аустеніту.

Результати виконаного аналізу дозволили визначити напрями досліджень, пов'язаних з розробкою технологічних процесів, що забезпечують отримання стабільно високого рівня механічних властивостей товстолистового прокату з боромістких сталей. Аналіз показав, що забезпечення такого рівня можливе, по-перше, тільки при виконанні оптимальних умов введення бору, що запобігають утворенню нітридів цього елемента. Такі умови передбачають послідовне введення в сталь, після розкислення її кремнієм, ферованадію, титану або цирконію. Ефективний (не зв'язаний в нітриди та оксиди) вміст бору в сталі повинен становити 0,001 %. По-друге, з метою забезпечення отримання більш однорідної дрібнозернистої структури і зниження смужкуватості що зумовлює анізотропію механічних властивостей сталі в гарячокатаному та термічно зміцненому станах, температура кінця прокатки повинна знаходитись у межах 810860 °С. Високе прогартовування, а також оптимальна структура (мартенсіт + нижній бейніт) внаслідок загартовування досягається після аустенітизації боромісткої сталі в області температур 920970 °С. Підстигання на повітрі протягом 60-90 секунд сприяє підвищенню прогартовуваності.

Механічні властивості боромісткої стали після відпуску істотно залежать від температури відпуска та умов подальшого охолоджування. Відпуск при температурах, що перевищують 620 °С, з подальшим охолоджуванням на повітрі забезпечує отримання більш високих характеристик міцності та пластичності, в порівнянні з охолоджуванням у воді. Однак у цьому випадку сталь має знижений рівень ударної в'язкості. Після відпуску в області 650 °С з охолоджуванням на повітрі спостерігається значне зниження міцнісних властивостей при відносно слабкому збільшенні пластичності. Після відпуску в області 620 °С з охолоджуванням у воді спостерігається значне зниження показників міцності при відносно високих значеннях пластичності та ударної в'язкості.

Результати виконаних досліджень механічних властивостей та мікроструктур дозволили рекомендувати такі режими термічного зміцнення, що забезпечують отримання механічних властивостей на рівні вимог, що ставляться: - Аустенітизація при 94020 °С, з витримуванням протягом 50 хв, підстигання на повітрі 6090 с з подальшим охолоджуванням у воді; відпуск при 60010 °С протягом 4060 хв з охолоджуванням у воді.

Розділ 4. Вивчення можливості забезпечення необхідного рівня характеристик механічних властивостей боромістких сталей при відхиленні складу від вимог стандартів.

Збільшення обсягу металопрокату, що має відхилення за вмістом бору від вимог стандартів, по’язано з нарощуванням обсягів виробництва боромістких сталей при постійному відсотку браку. Для визначення областей можливого застосування таких сталей в роботі виконано статистичний аналіз впливу бору на механічні властивості сталей стандарту ASTM A514. Як зазначалося вище, під час виробництва боромістких сталей необхідно забезпечити отримання заданої концентрації цього елемента в - твердому розчині, а не його загальної кількості в сталі. Бор у процесі виплавлення активно взаємодіє з азотом. Утворення частинок нітриду бору знижує ефективність його впливу на структуру і властивості, тому для отримання заданого вмісту бору в сталі необхідно забезпечити знижену концентрацію азоту. Вплив коливань вмісту бору на комплекс показників механічних властивостей вивчався на підставі аналізу результатів здавальних випробувань.

Статистичний аналіз виконувався з використанням даних про хімічний склад і механічні властивості прокату боромістких сталей двох партій по 72 плавки виробництва ВАТ "ММК "Азовсталь". Вміст бору в досліджуваних сталях знаходився в межах 0,00050,008%. Встановлено, що всі досліджувані характеристики механічних властивостей боромістких сталей схильні до впливу бору. Вибіркове кореляційне відношення для них змінювалося в межах 0,24170,4140. Найщільніший кореляційний зв'язок із вмістом бору характерний для відносного подовження, =0,4140. Більш слабкий зв'язок, =0,2450,3409, характерний для межі текучості, тимчасового опору та відносного звуження. Найменше корелює з концентрацією бору твердість прокату в стані постачання: =0,2417. Досить щільно корелює бор з азотом: =0,3012.

Наведені нижче лінійні рівняння, що характеризують залежність показників механічних властивостей та концентрації азоту від вмісту бору в сталі, адекватно описують експериментальні дані:

т =784,45 -2317,8 %В; (1)

в = 850,45+210,77 %В; (2)

= 18,872 +19,698 %В; (3)

= 46,734 - 25,91 %В; (4)

НВ =256,17+ 75,74%В; (5)

%N = 0,0102 - 0,3883%В. (6)

Отримані результати показують, що збільшення вмісту бору в сталі одночасно сприяє підвищенню міцності, твердості та відносного подовження, однак він знижує опір початку пластичної деформації та відносного звуження. Зниження межі текучості при зростанні тимчасового опору, тобто підвищення схильності до деформаційного зміцнення, свідчить про присутність у структурі, можливо на межах зерен, часток зміцнювальних виділень, які не перерізаються дислокаціями. З підвищенням концентрації бору, розмір та обсяг їх у структурі повинен збільшуватися. Отже, процес пластичної деформації всього кристала починається з переходом у рух зерномежових дислокацій. Окрихчування сталі відбувається через збільшення розмірів та об’ємного вмісту частинок сполучень цього елемента із зростанням його концентрації в сталі.

Встановлено, що із зростанням концентрації бору в сталі спостерігається інтенсивне зниження концентрації азоту; ця залежність дозволяє оцінити максимально допустимий вміст азоту в сталі. Що вища його концентрація, то більш низькою є концентрація бору, яка досягається за рахунок його видалення в шлак під час виплавлення.

Результати виконаних досліджень показують, що отримання заданого комплексу механічних властивостей може бути забезпечене у випадку використання нестандартних режимів термічної обробки, що усуває окрихчування. Встановлено, зокрема, що витримування в міжкритичному інтервалі температур та подальше термополіпшення сприяє отриманню структури, не схильної до окрихчування. Найбільш дисперсна мікроструктура з однорідним розподілом складових формується після ізотермічного витримування при 750780 °С протягом часу з розрахунку 10 20 хвил/мм. Збільшення тривалості витримування в цьому інтервалі так само впливає на стан сталі, як і підвищення температури.

Термополіпшення сталей з різним вмістом бору в напівпромислових умовах за режимом: - ізотермічне витримування при 760780 °С протягом часу з розрахунку 4 12 хв/мм; загартовування у воді від 93010 °С та відпуск при 67010 °С дозволяє отримати значення механічних властивостей, що відповідають стандарту ASTM A514 для сталей із зниженою концентрацією бору. Для подальшого підвищення комплексу механічних характеристик, у тому числі високобористих сталей, пропонується скоротити тривалість витримки в міжкритичному інтервалі температур при 760780 °С.

Виконане промислове випробування розробленої технології термічного зміцнення прокату боромістких сталей, що дозволяє усунути окрихчувальний вплив бору на сталь. Перевірку проведено на 10 листах товщиною 15,9 мм двох плавок сталі марки В за стандартом ASTM A514.

Отримані механічні властивості цілком задовольняють вимогам чинного стандарту (табл. 1).

Таблиця 1

Середні значення механічних властивостей листів зі сталі за стандартом ASTM A514 після термополіпшення за розробленою технологією

N0 партії | 02, Н/мм2 в, Н /мм2 , % | , % | НВ | 7459 | 710 | 800 | 25,0 | 52,0 | 235 | 7460 | 740 | 825 | 23,5 | 57,0 | 248 | 7457 | 755 | 825 | 27,0 | 58,0 | 248 | 7458 | 715 | 790 | 26,0 | 57,0 | 241 | 7464 | 750 | 825 | 23,0 | 55,0 | 255 | 7465 | 780 | 860 | 24,5 | 55,0 | 255 | 7467 | 740 | 815 | 27,0 | 55,0 | 248 | 7468 | 700 | 785 | 26,0 | 58,0 | 248 | 7466 | 780 | 850 | 21,0 | 51,0 | 255 | 7463 | 775 | 855 | 20,0 | 51,0 | 255 | Стандарт США | 690 | 760 895 | 16 18 | 35 40 | 235 293 |

Мікроструктурні дослідження показали наявність у листах експериментальної партії у стані постачання структури сорбіту відпуску, розмір зерен становив 8 10 балів.

Розділ 5. Вивчення можливості отримання високого комплексу механічних властивостей в сталях з підвищеним вмістом азоту.

Мала кількість небажаних домішок типу азоту, як відомо, здатна спричиняти окрихчування металів завдяки утворенню зерномежових сегрегацій. Визначення межової концентрації таких елементів експериментальним шляхом є практично нездійсненним завданням, а розрахункові методики, що існують, розроблені для елементів, розчинених за типом заміщення. У зв'язку з цим, у роботі виконано аналіз процесу утворення сегрегацій з атомів азоту, розчиненого за типом проникнення. При виконанні аналізу вперше було враховано вплив на межову концентрацію, окрім вихідного вмісту домішки, температури, розміру зерна. Внаслідок аналізу отримано рівняння, що визначає залежність межової концентрації даного елемента проникнення від вказаних вище параметрів

, (7)

де m - величина, що визначає кількість заблокованих октапор;

b - міжатомна відстань;

r - радіус зерна;

- коефіцієнт Пуассона;

Co - вихідна концентрація елемента;

Q - енергія зв'язку з межою зерна;

R - універсальна газова стала;

Т -температура.

за допомогою якого було розраховано значення зерномежової концентрації Сг азоту в - твердому розчині, який характеризується різним розміром зерна, при зміні початкової концентрації азоту в ньому від 10-8 до 10-5(ат. часток) при 300-1000 К. Показано, наприклад, що зменшення радіуса зерна від 10-2 до 10-3 см при 600 К супроводиться зниженням Сг від 0,6 до 0,1. При температурах 700 К, незалежно від радіуса зерна, Сг наближається до С0, тобто відбувається повна десегрегація азоту.

Виходячи з припущення, що зерно має сферичну форму і азот, який знаходиться в - твердому розчині, виходячи з тіла зерна, скупчується на межі, визначено час, протягом якого концентрація азоту змінюється на певну величину. При цьому використовувалося відоме рівняння

, (8)

де =(со-с)/co -частка азоту, що вийшов із зерна;

с -концентрація азоту всередині зерна в момент ;

D -коефіцієнт дифузії азоту;

d -середній діаметр зерна.

Установлено, що висока міра збагачення меж зерен азотом при кімнатній температурі вимагає тривалої витримки. З підвищенням температури і зменшенням розміру зерна час збагачення меж зерен азотом різко скорочується; при цьому знижується концентрація азоту на межах. Усунення зерномежової концентрації азоту може бути досягнуте нагрівом - твердого розчину до температур, що перевищують ~ 600 К (327 оС).

Для вивчення можливості отримання потрібного комплексу механічних властивостей у сталях з підвищеним вмістом азоту виконано статистичний аналіз результатів механічних властивостей боромісткої сталі за стандартом ASTM A514В.

Отримані рівняння, що характеризують зміну показників механічних властивостей в залежності від концентрації азоту:

т=809,45 -3312,9 %N; (9)

в=883,55 -3841,1 %N; (10)

=19,249-18,551 %N ; (11)

=46,223-31,846 %N; (12)

HB =262,45-693,55 %N . (13)

Показано, що збільшення концентрації азоту в сталі супроводиться зниженням значень усіх досліджених характеристик механічних властивостей прокату в стані постачання. Найбільш інтенсивно знижується рівень міцнісних властивостей та твердості.

Експериментальним шляхом встановлено, що азот знижує прогартовуваність через утворення в структурі частинок нітридів. Це призводить також до зниження стійкості переохолодженого аустеніту, зменшення тріщиностійкості сталі у зв'язку з переважним виділенням частинок нітридів алюмінію і титану на межах зерен.

Результати досліджень макро- і мікроструктури сталей з різним вмістом азоту показали, що підвищення концентрації його в сталі не спричиняє зміни характеру макроструктури, не супроводиться зміною об'ємного вмісту, форми і характеру розподілу неметалевих включень, що реєструється стандартними методами, не приводить також до зміни типу мікроструктури за товщиною прокату.

Паралельно з вивченням структури і механічних властивостей боромісткої сталі ASTM A514 проведено дослідження сталі стандарту ASTM A36, яка має в своєму складі кількість вуглецю і азоту, наближену до стандарту ASTM A514, і яка не містить бору. В результаті розроблено та рекомендовано наступні режими термічного зміцнення сталей з підвищенним вмістом азоту:

- попередня термообробка: нагрів до 760780 С, витримка з розрахунку 1020 хв/мм і подальше охолоджування у воді;

- остаточне поліпшення за режимом: загартування від 93010 С, 2 хв/мм; відпуск при 630670 С, 4 хв/мм з подальшим охолоджуванням на повітрі.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено розрахунково-аналітичні, експеріментальні дослідження та нові рішення задач металознавства, які послужили основою для вдосконалення технології термозміцнення листового прокату боромістких сталей.

2. Результати аналітичного дослідження стану бору в гратках - і -Fe показали, що атоми цього елемента, аналогічно вуглецю і азоту, розчинені за типом проникнення; це зумовлює високу міру їх конкуруючої взаємодії в твердих розчинах, внаслідок чого утруднюється розвиток процесів, які протікають на ранній стадії розпаду аустеніту (перерозподіл вуглецю і формування зародків -фази).

3. Визначено значення енергій взаємодії елементів проникнення з дефектами кристалічних граток, дислокаціями і субмежами в -Fe. Показано, що бор, маючи максимальну енергію зв'язку з дислокаціями і субмежами (27 кДж/гат) і високу дифузійну рухливість, виявляє більш високу схильність до утворення зерномежових сегрегацій, ніж вуглець і азот: час утворення сегрегацій біля субмеж при 700 К становить для бору і вуглецю, відповідно, В 210-5 с та С 810-4 с.

4. Виконано комп'ютерний аналіз початкової стадії розпаду переохолодженого аустеніту. Побудовані "С"- діаграми, що відображають залежність періоду передперетворення від температури для вуглецевого та боромісткого аустеніту при 0,20,6 %С та 210-4110-3 %В. Аналіз процесу формування зерномежових сегрегацій елементів, розчинених за типом проникнення, дозволив установити залежність зерномежової концентрації цих елементів від температури, початкової середньої концентрації і розміру зерна.

Показано, що, наприклад, при Т=600 К в - твердому розчині з початковою концентрацією азоту 10-5 (ат. часток) зменшення радіуса зерна від 10-2 до 10-3 см повинно супроводитися зниженням межової концентрації в 6 разів, а нагрівання до 700 К приводить до повної десегрегації азоту, незалежно від розміру зерна.

5. Установлено, що зниження температури кінця прокатки боромістких сталей від 910 до 810 0С супроводиться подрібненням зерна і отриманням більш рівномірної мікроструктури за товщиною листа, яка характеризується однорідним розподілом диспергованої феритної складової.

6. Унаслідок виконаного статистичного аналізу даних приймально-здавальних випробувань і проведених експериментальних досліджень установлено, що однією з основних причин отримання рівня механічних властивостей, який не відповідаює вимогам стандартів, боромісткої сталі після термічного поліпшення є підвищена концентрація азоту; при вмісті азоту 0,005% спостерігається зниження всіх показників механічних властивостей, а також прогартовування сталей, що досліджуються.

7. Показано, що всі характеристики механічних властивостей боромістких сталей, які термічно поліпшуються, особливо ударна в'язкість, істотно залежать від температури відпуску і умов охолоджування; охолоджування у воді від температур відпуску сприяє підвищенню характеристик міцності й ударної в'язкості.

8. Установлено, що в більшості випадків підвищення показників механічних властивостей боромістких сталей до рівня, який відповідіє вимогам стандартів, може бути забезпечене при використанні режимів нагрівання під аустенітизацію, що включають проміжне витримування в міжкритичному інтервалі; підстигання листового прокату в цьому інтервалі температур перед загартуванням сприяє підвищенню прогартовуваності.

9. Результати виконаних досліджень використані на ВАТ "ММК" Азовсталь" для вдосконалення існуючої технології термічного зміцнення листового прокату з боромістких сталей і розроблення нових режимів, які забезпечують гарантоване отримання рівня механічних властивостей, що відповідає вимогам стандартів ASTM A514 та ASTM A36. Економічний ефект від впровадження результатів роботи становить 162240 гривень на рік.

Основній зміст дисертації викладено у таких публікаціях:

1. Гаврилова В.Г., Влияние температуры нагрева под закалку и условий последующего охлаждения на микроструктуру и механические свойства листовой борсодержащей стали // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 1999.- Вып.8.- С. 70-72.

2. Гаврилова В.Г., Ткаченко Ф.К., Влияние температуры отпуска и условий охлаждения на механические свойства листовой борсодержащей стали // Вестник Приазов. гос.техн.ун-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 2000.- Вып.9 .- С. 80-82.

3. Компьютерный расчет периода предпревращения при распаде переохлажденного аустенита в нелегированной стали // Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г., Тихонюк С.Л., Солошенко П.В., Рябикина М.А.; Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.-Мариуполь, 1996. -Вып.2. - С. 93-97.

4.

5. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г., Влияние условий охлаждения после аустенитизации на механические свойства борсодержащих сталей с различным содержанием азота // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 1999.-Вып.8.- С. 73-75.

6. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. Анализ условий зарождения -фазы при распаде переохлажденного аустенита / Приазов.гос.техн.ун-т.-Мариуполь,1993.-8с.-Библиогр.: 6 назв.-Деп. в ГНТБ Украины 19.07.93, № 1528 - Ук - 93.

7. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. О факторах, определяющих кинетику структурообразования в доэвтектоидных сталях / Приазов.гос.техн.ун-т.-Мариуполь,1993.-8с. -Библиогр.: 4 назв.- Деп. в ГНТБ Украины 19.07.93, 1527-Ук-93.

8. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. О влиянии приложенных напряжений на мартенситное превращение / Приазов. гос.техн.ун-т.-Мариуполь,1995.- 8с.-Библиогр.: 6 назв.-Деп. в ГНТБ Украины 05.04.95, № 796-Ук-95.

9. О влиянии дефектов кристаллической решетки на состояние переохлажденного аустенита / Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г., Тихонюк С.Л., Солошенко П.В.; Приазов. гос. техн.ун-т.-Мариуполь, 1994.-12 с.- Библиогр.: 10 назв.- Деп. в ГНТБ Украины 05.12.94, № 2254- Ук-94.

10. Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г., Тихонюк С.Л. Термодинамика и механизм бейнитного превращения / Приазов. гос.техн.ун-т.- Мариуполь,1994.-14 с.- Библиогр.: 14 назв.- Деп. в ГНТБ Украины 05.12.94, №2253 -Ук-94.

11.Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. О возможности компьютерного расчета периода предпревращения при распаде переохлажденного аустенита / Приазов. гос. техн. ун-т.-Мариуполь, 1996.-14с.- Библиогр.: 13 назв.-Деп. в ГНТБ Украины 24.10.96, №2038-Ук-93.

12.Ткаченко И.Ф., Гаврилова В.Г. О возможности расслоения переохлажденного аустенита // 1V рег. научно-тех. конф., апрель 1997: Тез.докл.-Мариуполь, 1997.-Т.V. Экономика,- С.21.

13. Гаврилова В.Г., Ткаченко И.Ф., Тихонюк Л.С. О типе растворения бора в аустените и его взаимодействие с дислокациями // V рег. научно-тех. конф., апрель 1998: Тез. докл.-Мариуполь,1998.- Т.1V. Инженерно-экономический факультет,-С.22.

14. Гаврилова В.Г., Ткаченко И.Ф., Тихонюк Л.С. Влияние температуры нагрева и условий охлаждения при отпуске на механические свойства листовой борсодержащей стали // V рег. научно - тех. конф., апрель 1998: Тез. докл.-Мариуполь,1998.- Т.IV. Инженерно-экономический факультет,-С.23.

15. Ткаченко Ф.К., Гаврилова В.Г., Тихонюк Л.С. Статистический анализ влияния колебаний по содержанию бора на механические свойства листовой борсодержащей стали // VI рег. научно - тех. конф., сентябрь 1999: Тез. докл.-Мариуполь,1999.- Т.1 ,-С.10.

16. Гаврилова В.Г., Ткаченко Ф.К., Солошенко П.В. Влияние параметров режима отпуска на механические свойства борсодержащих сталей с повышенным содержанием азота // VI рег. научно- тех. конф., сентябрь 1999: Тез. докл. Мариуполь,1999.- Т.1, -С.8.

Анотація

Гаврилова В.Г. Пiдвищення механiчних властивостей листового прокату боромiстких сталей за рахунок регулювання структури, складу та режимiв термообробки. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 05.16.01 - Металознавство та термiчна обробка металiв. Приазовський державний технiчний унiверситет, ВАТ "Металургiйній комбiнат "Азовсталь", м. Маріуполь, 2000 р.

Дисертацiя мiстить результати теоретичних та експериментальних дослiджень стану бору та азоту в сталi, їх вплив на структурний стан та механiчнi властивостi боромiстких сталей, виконаних за стандартом ASTM A514. Встановлено тип твердого розчину, утвореного атомами бору в гратцi -Fe. Розглянуто взаємодiю атомiв проникнення з межами зерен та отримано рiвняння, що вiдтворюють залежнiсть межової концентрацiї азоту вiд розмiру зерна та температури. На пiдставi статистичного аналiзу отримано рiвняння, що характеризують залежнiсть показникiв механiчних властивостей вiд концентрацiї бору, а також азоту, якi в кiлькiсному виглядi дозволяють оцiнити максимально допустимий вмiст азоту в сталi, при якому може бути отримана задана концентрацiя бору. Запропонованi режими термообробки, які дозволяють за рахунок регулювання структури пiдвищити механiчнi властивостi та усунути окрихчувальний вплив азоту в дослiджуваних сталях при вiдхиленнi їх складу вiд вимог стандарту.

К л ю ч о в і с л о в а: iзотермiчна витримка, міжкритичний iнтервал, аустенiтизацiя, зерномежовi сегрегацiї, межова концентрацiя, розчини проникнення та замiщення.

Аннотация

Гаврилова В.Г. Повышение механических свойств листового проката борсодержащих сталей за счет регулирования структуры , состава и режимов термообработки.

- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. Приазовский государственный технический университет, ОАО "Металлургический комбинат "Азовсталь", г. Мариуполь, 2000 г.

Диссертация содержит результаты аналитических и экспериментальных исследований борсодержащих сталей, выполненных по стандарту ASTM A514 и углеродистых, соответствующих стандарту ASTM A36, на основании которых разработаны технологические процессы термоупрочнения листового проката, обеспечивающие гарантированное получение требуемого уровня механических свойств в случае, когда необходимые показатели не достигаются при термическом улучшении по стандартным режимам.

На основе анализа состояния бора в решетках - и -железа показано, что атомы этого элемента, аналогично углероду и азоту, растворены по типу внедрения. Это обусловливает их конкурирующее взаимодействие в твердых растворах, в результате чего затрудняется развитие процессов, протекающих на ранней стадии распада аустенита.

Определены значения энергии связи атомов бора, углерода и азота с дислокациями и субграницами. Показано, что бор, обладая максимальной величиной энергии связи с дефектами решетки и относительно высоким коэффициентом диффузии, проявляет более высокую склонность к образованию сегрегаций по границам зерен и блоков, чем азот и углерод.

Выполнен компьютерный анализ начальной стадии распада переохлажденного аустенита, содержащего различные количества углерода - 0,2-0,6% и бора -0,0002-0,001%. Построены "С"-образные кривые, отражающие зависимость периода предпревращения от температуры, для нелегированного и микролегированного бором аустенита.

Рассмотрено взаимодействие атомов внедрения с границами зерен и получены уравнения, позволяющие определить зернограничную концентрацию элементов внедрения (С, N, B ) и ее изменение в зависимости от температуры, размера зерна и средней исходной концентрации элемента.

Установлено, что в большинстве случаев повышение характеристик механических свойств термоулучшением борсодержащих сталей до уровня требований стандарта ASTM A514 и углеродистых ASTM A36, может достигаться за счет использования режимов аустенитизации, включающих промежуточную выдержку в межкритическом интервале температур; в связи с повышенной склонностью борсодержащей стали к охрупчиванию, рекомендуется применение строго регламентированного режима отпуска.

Показано, что дополнительное повышение прокаливаемости термоулучшаемого листового проката из борсодержащих сталей может быть получено путем регулирования температуры аустенитизации и условий последующего охлаждения. Благоприятное влияние на прокаливаемость оказывает подстуживание на воздухе, предшествующее охлаждению в воде.

На основе статистического анализа получены уравнения, характеризующие зависимость показателей механических свойств от концентрации бора, а также азота и позволяющие в количественном виде оценить максимально допустимое содержание азота в стали, при котором может быть получена заданная концентрация бора.

Результаты