» » Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали
06.02.2015

В качестве основного способа смягчающей термической обработки стали издавна используют отжиг для получения структуры зернистого перлита, то есть структуры, состоящей из зернистых (глобулярных) карбидов, расположенных относительно равномерно в ферритной матрице. Поскольку сталь с такой структурой обладает минимальной твердостью, отжиг на зернистый перлит обычно используют для улучшения обрабатываемости инструментальных сталей.
Несмотря на принципиальную возможность получения структуры зернистого перлита в результате распада гомогенного аустенита, на практике все же стремятся использовать аустенитизацию при минимально возможной температуре с целью сохранения дисперсных нерастворившихся карбидов. В случае исходной структуры пластинчатого перлита многие нерастворившиеся частицы в пределах одной бывшей перлитной колонии имеют одинаковую кристаллографическую ориентировку и не всегда строго равноосную форму. В этих условиях может оказаться облегченным не процесс раздельного зарождения феррита вокруг цементитной частицы, а кооперативный рост цементитного и ферритного кристаллов с образованием перлитной колонии,
На рис.92 а представлена микроструктура образца стали ШХ15 после аустенизации при 800°С в течение 10 мин, изотермической выдержки в соляной ванне при 680°С в течение 5 мин и последующего охлаждения в воде. Видно, что распад аустенита происходит участками, напоминающими колонии. Такой ход распада трудно увязать с абнормальным механизмом превращения, который должен был бы привести к более или менее равномерному протеканию превращения по всей площади шлифа.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

При больших увеличениях (рис.92 б) заметно, что не все карбидные частицы даже в сечении шлифа имеют четко выраженную округлую форму. Применение сканирующего электронного микроскопа показало, что большинство частиц имеет стержневидную форму (рис.92 в). После выдержки в соляной ванне при той же температуре в течение часа форма частиц приблизилась к сферической (рис.92 г).
Приведенные данные позволяют предположить возможность следующего механизма образования зернистого цементита при сфероидизирующем отжиге. В процессе изотермической выдержки или медленного охлаждения с температуры аустенитизации формируется перлитная колония с цементитными кристаллами дефектной формы - типа лент, стержней, зерен. В дальнейшем происходит формоизменение цементита - непосредственно процесс сфероидизации. Характер цементитных кристаллов, возникающих при распаде аустенита, определяется формой цементитных частиц, сохранившихся в аустените при нагреве или концентрационных неоднородностей, в которых возникают центры кристаллизации цементита. Иными словами, может происходить наследование формы цементитных кристаллов при отжиге. Подтверждением этого положения служит тот факт, что в случае кратковременной выдержки и незначительного перегрева относительно A1 с последующим медленным охлаждением или под-критической выдержкой получали структуры с заметным количеством пластинчатого цементита. В свете изложенного может быть определена роль циклического сфероидизирующго отжига. Очевидно, от цикла к циклу происходит постепенное уменьшение степени наследования формы, а следовательно, возрастает и степень сфероидизации цементита.
Из приведенных данных следует, что для определения геометрии цементитных кристаллов недостаточна информация, полученная из анализа случайных плоских сечений перлита. Для установления пространственного вида цементитной фазы необходимо привлечение методов стереометрической металлографии. Для эвтектических сплавов необходимость этого убедительно показана в работе. Морфологические разновидности карбидных фаз, наличие лентообразного и стержневидного специальных карбидов обнаруживаются во время цементации при полиморфном превращении легированного феррита в аустенит, сопряженном с карбидообразованием. Ленты и стержни цементита образуются и при эвтектоидном распаде аустенита горячекатаной стали.
Рассмотрим влияние химического состава и исходной структуры стали на сфероидизацию цементита. При рассмотрении влияния состава стали на склонность к абнормальности Б.С. Натапов с сотрудниками исходили из величины поверхностного натяжения. Показано, что бор, кислород, фосфор, вольфрам, молибден, ванадий, титан, алюминий, медь, кремний способствуют независимому росту цементита в окружении феррита, то есть абнормальному эвтектоидному распаду, а марганец, хром, никель и платина препятствуют ему.
Нами изучено влияние марганца и бора на сфероидизацию цементита при отжиге с фазовой перекристаллизацией. Исследовали стали У8, 65Г, 45 и 40Р (табл. 18).
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

Суждение о влиянии марганца на склонность к сфероидизации основано на результатах сопоставительного изучения структуры образцов из сталей У8 и 65Г после сфероидизирующего отжига с нагревом до 740-750°С, выдержки при этой температуре в течение 20 мин, охлаждения с печью до 680-700°С и выдержки в течение 2 ч. Выбор для исследования сталей с несколько разным содержанием углерода обусловлен стремлением подобрать одинаковую исходную структуру: в обоих случаях структура горячедеформированной стали состояла из перлита без заметных участков структурно-свободного феррита. После отжига структура всех образцов стали У8 была полностью сфероидизирована (рис.93 а). В структуре же образцов стали 65Г сохранилось значительное число участков пластинчатого строения (рис.93 б); степень сфероидизации колебалась в пределах 30-70%. Явное различие склонности сталей У8 и 65Г к сфероидизации подтверждает выводы об отрицательном влиянии марганца. Однако, как будет показано ниже на примере стали 18ХГТ, совместное легирование марганцем и хромом в количестве около 1% каждого облегчает сфероидизацию. Этот вывод представляет большой интерес, поскольку в углеродистых доэвтектоидных сталях сфероидизация цементита затруднена.
Образцы сталей 45 и 40Р отжигали как по режиму, принятому для сталей У8 и 65Г, так и по циклическому режиму, состоящему из двух и трех циклов нагрева выше Ac1 и охлаждения ниже Ar1. Сравнение структур образцов этих сталей, обработанных по одинаковым режимам, не позволило выявить заметного различия в степени сфероидизации. Твердость образцов сталей обеих марок также оказывается на одном уровне.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

Приведенные данные показывают, что влияние состава стали на ее склонность к сфероидизации может быть достаточно сложным и определяться не только поверхностной активностью элемента по отношению к разным фазам, но и его воздействием на сохранность карбидной фазы и диффузионную подвижность углерода, на взаимное положение линий диаграммы железо-углерод и другими факторами.
Исследованиями установлено, что при холодной пластической деформации в цементите происходят заметные структурные изменения. В соответствии с работой, нами рассмотрена микроскопическая картина деформации перлита.
Следы деформации могут пересекать несколько перлитных колоний (рис.94 а). В одних колониях они имеют вид полосы скольжения (рис.94 б), в других - вид складки (рис.94 в). Сопряжение исходного перлита со складкой может быть остроугольным (большая кривизна стыка) и плавным (малая кривизна стыка). В первом случае радиус кривизны сопряжения может оказаться близким к межпластиночному расстоянию (~10в-6 м). Под световым микроскопом в местах изгиба трещины не видны. В сильнодеформированных образцах на травленой поверхности обнаруживалось разрушение и сдвиг пластин феррита и цементита. В таких образцах наблюдались прослойки локализации деформации, в которых пластины цементита раздроблены на множество мелких зерен (рис.94 г).
Перлит состоит из двух резко различающихся по свойствам фаз. При малых нагрузках деформируется в основном феррит. Полосы скольжения располагаются вдоль и поперек пластин. В перлите легко возникают и полосы деформации (складки).
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

На рис.95 представлена схема структурных изменений при пластической деформации перлита. Образование складок рассматривается как результат нагромождения одноименных дислокаций в феррите. М. Прегер считает, что нагромождения дислокаций в местах изгиба возникают и в цементите.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

Согласно К. Лёбергу, цементит можно рассматривать как упорядоченный твердый раствор замещения. Его кристаллическую решетку можно представить как учетверенную ячейку аустенита, в которой четвертая часть атомов железа закономерно замешена атомами углерода. В упорядоченных сплавах сверхдислокации двигаются парами, так что замыкающая дислокация устраняет антифазную границу, сформированную ведущей. Если одна из дислокаций переходит в другую плоскость, что реализуется, например, при перекрестном скольжении, каждая из двигающихся дислокаций оставляет за собой антифазную границу. Степень упорядоченности при этом уменьшается. Повышение температуры деформации до 500-700°С приводит к некоторому изменению формы цементитных кристаллов. В следах деформации наблюдается деление и сфероидизация цементита, что связано с развитием субструктуры как в феррите, так и в цементите. По данным, прокатка при 690-680°С приводит к почти полной сфероидизации.
Таким образом, при теплой пластической деформации сфероидизация достигается за тысячные доли секунды, в то время как в обычных условиях процесс длится более 10 ч. Резкое ускорение сфероидизации при теплой деформации автор объясняет ускорением диффузии углерода и самодиффузии атомов железа в результате образования излишка вакансий в решетке, а также повышения плотности дислокаций и увеличения протяженности субграниц и границ.
На морфологию цементита оказывают влияние условия горячей пластической деформации. Естественно, что наиболее заметного формоизменения цементита можно добиться, осуществляя деформирование в температурном интервале перлитного превращения.
При этом происходят следующие структурные изменения:
- карбидная фаза присутствует в структуре в виде мелких сферических частиц;
- эти частицы оказываются равномерно распределенными в ферритной матрице;
- в феррите развивается тонкая субзеренная структура с диаметром субзерен менее 1 мкм.
Как показано в работе, изоформинг при 600°С или непрерывная деформация в интервале температур перлитного превращения приводит к повышению ударной вязкости, в том числе после термического улучшения, при неизменном или несколько повышенном уровне прочности. Степень развития по-лигонизационных процессов в феррите, размеры карбидных частиц и уровень механических свойств зависят от температуры изоформинга. Повышение температуры изоформинга выше 600°С приводит к увеличению субзерен в феррите и частиц карбидов, что снижает прочность и ударную вязкость. Поскольку изоформинг, приводя к заметному формоизменению цементитных кристаллов, не способствует снижению твердости стали, его не всегда можно использовать как способ смягчающей обработки.
Детальные эксперименты по изучению морфологии цементита, образующегося после деформации в аустенитной области, проведены в работе. При нагреве образцов сталей У8 и ШХ15 до 950°С, подстуживании до 730°С и деформировании за один проход с обжатием 45-50% после охлаждения на воздухе получали структуру со сфероидальной формой карбидов. Высказывается предположение, что в сильно деформированном аустените на дислокациях зарождается большое число карбидных частиц, которые успевают поглотить атомы углерода из участков аустенита, примыкающих к дислокациям, прежде чем начнется нормальное эвтектоидное превращение при охлаждении ниже Ar,. При этом карбидные частицы могут зарождаться не только в виде пластин, но и в виде сфероидов.
В работе представлены материалы исследований влияния температуры нагрева, условий деформации и последующего охлаждения на морфологию цементита сталей с различным содержанием углерода. Исследования выполнены на сталях 45, 65Г и У8 (см. табл. 18). Образцы нагревали в силитовой печи до 1150°С, подстуживали в муфельной печи до температур прокатки 1100, 1000, 900, 850, 800, 760, 740 и 720°С. Осуществляли также нагрев под прокатку до более низких температур: 850°С для сталей У8 и 65Г и 800°С для стали 45. Заготовки, подстуженные до требуемой температуры, прокатывали на двухвалковом стане 300 за один проход с обжатиями 20 и 50%. Охлаждение после прокатки проводили на воздухе и в соляной ванне с температурой tохл, равной 600 и 650°С.
Изучение в световом микроскопе строения эвтектоида исследованных сталей после нагрева до 1150°С и прокатки 1100-720°С с последеформационным охлаждением на воздухе показало наличие участков пластинчатого строения, а также участков с дисперсной структурой (рис.96, a-в), при электронно-микроскопическом исследовании которых выявляется их пластинчатое строение. Картина коренным образом изменяется в случае применения более низких температур нагрева под прокатку. В этом случае при изучении микроструктуры образцов стали У8, нагретых под прокатку до 850°С, прокатанных даже со степенью деформации всего 20% при 720°С и охлажденных на воздухе, при увеличениях светового микроскопа выявлены участки зернистого перлита (рис.96, г). Наличие участков карбидов глобулярной формы обнаружено в световом микроскопе и в образцах стали 45, нагретых до 800°С и прокатанных со степенью деформации 50% (рис.96, д). В образцах стали 65Г после нагрева до 850°С, деформации при 720°С с обжатием 20% и охлаждения на воздухе изменение формы цементита обнаруживается только в электронном микроскопе (рис.96 е). Правда, в этом случае вряд ли можно говорить о зернистой форме цементитных частиц. Скорее мы имеем дело с плоским сечением перлитной колонии, в которой пластины цементита преобразовались в стержни и ленты. Деформация при тех же условиях с обжатием 50% приводит к уменьшению относительного количества лентовидных кристаллов, увеличению количества стержней и появлению сфероидальных кристаллов. Образование карбидов глобулярной формы непосредственно в процессе пластической деформации при низких температурах нагрева под прокатку может быть связано с получением недостаточно однородного аустенита.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

В случае охлаждения в соляной ванне с температурой 640-650°С образцов, прокатанных при 1100-720°С, наблюдается четко дифференцированное пластинчатое строение перлитных колоний (рис.97 а). После охлаждения в соляной ванне с температурой 600°С структура перлита разрешается в электронном микроскопе и видно, что она зависит от температуры прокатки. Если после прокатки при 1000°C в структуре преобладают участки пластинчатого строения (рис.97 б), то после прокатки при 800°С морфология перлита изменяется: формируются кристаллы не только пластинчатой, но и глобулярной и стержневидной формы (рис.97 в). Это можно объяснить сохранением дефектности кристаллического строения в аустените до начала его распада.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

Проведенные исследования показали, что снижение температуры деформации вплоть до Ar1 не является достаточным условием для получения структуры зернистого перлита непосредственно после горячей пластической деформации и охлаждения на воздухе. Цементит глобулярной формы удается получить при использовании пониженных температур нагрева под прокатку, когда образуется недостаточно однородный исходный аустенит. Сфероидизации цементита после горячей пластической деформации способствует ускоренное охлаждение в интервале температура деформации-температура распада аустенита.
Влияние условий нагрева на структуру стали, деформированной в аустенитной или аустенито-карбидной областях, подтверждается также исследованиями, результаты которых приведены в работе. Было показано, что при нагреве шарикоподшипниковой стали до 800-850°С и деформации при этих температурах сфероидизация происходит легче, чем в случае нагрева до обычно применяемых температур (порядка 1100°С) и последующего деформирования при охлаждении в межкритическом интервале. Отмечается, что деформация заэвтектоидной стати в межкритическом интервале температур расширяет интервал аустенитизации на 70-90°С в сторону более высоких температур, после чего перлитное превращение при охлаждении происходит, как указывают авторы, по «глобулярному» типу. Авторы считают, что в наклепанном аустените образуются локальные зоны обогащения и обеднения углеродом, способствующие выделению дисперсных карбидных частиц и у—»а-превращению. Предложено два способа обработки подшипниковой стали, позволяющие получить непосредственно в потоке прокатки сфероидизированную структуру:
- деформация на 50-75% в интервале 800-860°С при нагреве «снизу» с замедленным охлаждением (40-60°С/ч) до 650°С, а затем на воздухе;
- деформация на 100-160% при снижении температуры с 1100 до 750°С или в интервале 800-720°С с замедленным охлаждением (40-60°С/ч) до 650°С, а затем на воздухе.
По данным, обработка по таким режимам приводит к получению твердости, требуемой стандартом (HB 179-207), и структуры зернистого перлита мельче балла 1.
Несмотря на очевидную заманчивость предложенной технологии, следует отметить, что замедленное охлаждение в потоке горячей прокатки осуществить затруднительно. В случае же последеформационного охлаждения на воздухе получают повышенные значения твердости, что приводит к необходимости дополнительного отжига.
Таким образом, условия горячей пластической деформации оказывают заметное влияние на морфологию перлита. Принципиально возможно, особенно в случае заэвтектоидной стали, получение структуры и свойств, которыми должен обладать прокат, подвергаемый сфероидизирующему отжигу, непосредственно в потоке горячей прокатки. Однако получить в структуре доэвтектоидной стали непосредственно после деформации высокую степень сфероидизации и такие размеры цементитных частиц, которые обеспечивают выполнение требований, предъявляемых к металлу для холодной высадки или холодной чистовой вырубки, не удается. В таких случаях целесообразно использовать регламентированную горячую пластическую деформацию как способ подготовки структуры к последующей сфероидизации при отжиге.
Известно положительное влияние холодной пластической деформации на сфероидизацию цементита при последующем субкритическом отжиге. Первоначально при объяснении этого явления исходили из того, что предварительная деформация ускоряет диффузию углерода.
Детально структурные изменения при отжиге деформированной стали изучены на примере эвтектоидной кремнистой стали. Уже после 5-10 мин выдержки при 680°С наблюдались полигонизация и рекристаллизация феррита. В местах изгиба пластин в феррите возникали границы (рис.98 а). С увеличением выдержки цементитные пластины в местах изгиба делились (рис.98 б), что приводило к освобождению изгибов от цементита. В дальнейшем структура изменялась преимущественно в складках, где происходили процессы сфероидизации и коалесценции цементита. Существенные изменения наблюдались и в колониях перлита, в которых складки отсутствовали. В них цементитные пластины делились вдоль следов деформации и округлялись (рис.98 в), что приводило к образованию сфероидизированных зерен. Характерна неравномерность процессов формоизменения цементитных кристаллов, обусловленная распределением следов деформации.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

При нагреве холоднодеформированной стали изменения происходят и в тонкой кристаллической структуре цементита. Согласно, после 15 мин выдержки при 680°С исчезают линии скольжения, в пластинах выявляется полигональная структура и отдельные дислокации. Методами рентгеноструктурного анализа и трансмиссионной электронной микроскопии показано, что выдержка 5 ч при 300°С не приводит к заметным структурным изменениям в цементите. При температуре выше 300°С происходит уменьшение ширины рентгеновских дифракционных линий, что свидетельствует о снятии микроискажений кристаллической решетки. Дальнейшее повышение температуры приводит к исчезновению муарового узора, уменьшению плотности дислокаций и формированию хорошо развитых субграниц. Таким образом, при нагреве в деформированном цементите протекают процессы возврата и полигонизации.
Аналогичные процессы были обнаружены ранее микроструктурным методом (с помощью теплового травления) в первичном и эвтектическом цементите белого чугуна с повышенным содержанием хрома. В этом случае температурные интервалы протекания разупрочняющих процессов лежат заметно выше, чем для цементита перлита, что может быть обусловлено повышенным содержанием хрома в цементите, различием в размерах цементитных кристаллов, а также характере и степени их деформации. В табл. 19 приведены температуры разупрочняющих процессов в основных фазах деформированных железоуглеродистых сплавов. С развитием разупрочняющих процессов в цементите, возможно, связан и возврат магнитных свойств при отжиге деформированной стали.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

По данным К.П. Бунина, А.А. Баранова и Э.Н. Погребного, ускорение сфероидизации и коалесценции цементита при субкритическом отжиге за счет предварительной холодной пластической деформации оценивается следующими данными. Если в недеформированной кремнистой стали после отжига при 680°С в течение 200 ч сохраняется не меньше половины пластинчатого перлита, то в деформированной стали при тех же условиях процесс сфероидизации заканчивается за 25 ч. Ускоряющее влияние холодной пластической деформации на сфероидизацию используется, например, при производстве термокалиброванного металла.
Как уже указывалось, температурно-деформационные параметры прокатки оказывают существенное влияние на формирование структуры стали. Изменение соотношения структурных составляющих, строения и степени дисперсности перлита, плотности дефектов кристаллического строения в горячедеформированном аустените и продуктах его распада должно оказывать воздействие на процессы сфероидизации при отжиге. На практике с целью подготовки структуры к отжигу используют последеформационное ускоренное охлаждение. Возможности воздействия на структуру самой деформации остаются неиспользованными. Поскольку проблема сокращения длительности сфероидизирующего отжига стоит довольно остро, представляется заманчивым использовать регламентированную горячую пластическую деформацию как элемент комплексной сфероидизирующей обработки стали.
Результаты выполненной в ДПИ оценки влияния условий горячей пластической деформации на формирование структуры стали при комбинированной сфероидизирующей обработке (закалка и последующий сфероидизирующий отжиг) представлены в работах.
Исследования по стали 45 выполнены на образцах сечением 16x16 мм, нагретых до температуры 1150°С и подстуженных в печи до температур 1100, 1000, 900 и 850°С. Далее их прокатывали со степенью деформации 50 и 20%, после чего охлаждали в воде.
Сфероидизирующий отжиг выполняли по режимам, состоящим из нагрева до температуры выше Ас1, выдержки в течение 20 мин, охлаждения со скоростью 180°С/ч до температуры 680-700°С и выдержки при этой температуре в течение 1,5-2 ч. Затем либо проводили окончательное охлаждение на воздухе, либо указанный цикл обработки повторяли 2-3 раза. Сфероидизирующий отжиг образцов стали 45 проводили при режимах, представленных в табл. 20.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

После отжига по режимам 1-3 во всех случаях наблюдали практически полностью сфероидизированную структуру, однако размеры карбидных частиц и характер их расположения зависят от температуры прокатки. Если в образцах, деформированных при 1000°С, имеют место довольно крупные карбидные частицы, расположенные как по границам, так и внутри зерен феррита, то структура образца, деформированного при 850°С, после отжига по режимам 1 и 2 характеризуется весьма дисперсными выделениями цементита, ориентированными вдоль бывших мартенситных кристаллов (рис.99 а, б). После отжига по режиму 3 заметного укрупнения частиц не происходит, хотя степень ориентировки структуры уменьшается. Существенно зависит от температуры деформации и твердость образцов. Наблюдается заметное возрастание твердости после отжига с понижением температуры прокатки.
Отжиг по режимам 4-6 проводили с целью выяснения температурного интервала отжигаемости. В случае отжига при температуре 760-770°С наблюдается четко выраженная зависимость степени сфероидизации от температуры прокатки. Полностью сфероидизированная структура наблюдается лишь после прокатки при 850°С. В случае прокатки при более высокой температуре после отжига в структуре появляется пластинчатый перлит (см. рис.99 в, г). С увеличением числа циклов при отжиге степень сфероидизации снижается. С указанными особенностями структуры согласуется и характер изменения твердости. Минимальное значение твердости соответствует полностью сфероидизированной структуре, полученной в образце, прокатанном при 850°С.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

Проводили сфероидизирующий отжиг образцов, предварительно закаленных с отдельного нагрева до температур 850, 900 и 1000°С. После отжига при 740-750°С во всех случаях получали полностью сфероидизированную структуру, причем зависимости твердости от температуры закалки не наблюдалось. После отжига при 760-770°С у всех образцов независимо от температуры предшествовавшей закалки получали структуру, состоящую из зернистого и пластинчатого перлита. Приведенные результаты подтверждают, что влияние температуры прокатки на структурообразование при комбинированной сфероидизирующей обработке связано с особенностями формирования структуры в процессе горячей пластической деформации.
Закалка стали непосредственно после горячей пластической деформации представляет собой высокотемпературную термомеханическую обработку, при которой мартенсит наследует дефектную структуру горячедеформированного аустенита.
При нагреве под отжиг мартенсит перед аустенитизацией подвергается высокому отпуску. В связи с этим дальнейшие исследования проведены на образцах, закаленных после прокатки от 1000 и 850°С и отпущенных при 700°С в течение 0,5 ч. Рентгенографическое исследование позволило установить заметное различие в ширине рентгеновской дифракционной линии образцов, прокатанных при 1000 и 850°С: ширина Кα1. Составляющей линии (220) α-фазы была равна соответственно 9 и 12 мрад. Электронно-микроскопическое исследование на просвет выявило различие в размерах карбидных частиц и блоков указанных образцов. После закалки и высокого отпуска размеры карбидных частиц и блоки крупнее у образца, прокатанного при более высокой температуре. В процессе отпуска наблюдается рост карбидных частиц, расположенных лишь по границам реек. Внутри реек происходит, наоборот, рассасывание частиц. Явление это связано с более высокой термодинамической устойчивостью частиц, расположенных в дефектных областях кристаллической решетки.
Таким образом, перед аустенитизацией имеет место различная плотность дефектов кристаллического строения в феррите в зависимости от температуры прокатки. Даже при медленных нагревах аустенит может наследовать дефектность структуры α-фазы. Очевидно, наследование имеет место и при абнормальном эвтектоидном превращении. На этом основании можно объяснить зависимость микроструктуры и твердости образцов, прошедших сфероидизирующий отжиг, от температуры деформации.
В результате выполненных исследований в работе сделаны следующие выводы:
- температурные условия горячей пластической деформации оказывают существенное влияние на формирование структуры стали при последующем сфероидизирующем отжиге. Это необходимо учитывать при разработке технологии сфероидизирующей термической обработки проката;
- снижение температуры горячей прокатки стали 45 от 1100 до 850°С приводит к расширению температурного интервала отжигаемости при комбинированной сфероидизирующей обработке;
- для более полного снижения твердости стали, прокатанной при 850°С, температура аустенитизации при отжиге должна быть повышена до 760-770°С. Сталь, прокатанную при температуре выше 900°С, следует отжигать при 740-750°С;
- твердость стали после комбинированной сфероидизирующей обработки определяется не только формой и размерами цементитных кристаллов, но и плотностью дефектов кристаллического строения в феррите. Дефекты могут наследоваться при сфероидизирующем отжиге.
В работе представлены материалы исследований, в которых влияние условий горячей деформации на сфероидизацию цементита при отжиге выполнены для сталей 65Г, 18ХГТ и ШХ15. Размеры образцов при исследованиях были 25x40x150 мм. Их нагревали под прокатку в силитовой печи до 1150-1200°С, подстуживали до температуры деформации, после чего подвергали деформированию, стали 65Г за один проход с обжатием 20%, стали 18ХГТ - за один проход с обжатиями 20 и 30% и за два прохода с частными обжатиями 20%+15%, стали ШХ15 - за два прохода с суммарным обжатием 35%. После-деформационное охлаждение осуществляли на воздухе и ускоренно - водой до 650-600°С. Часть образцов стали 65Г после деформации подвергали закалке в воде. Сфероидизирующий отжиг выполняли по режиму: нагрев до температуры аустенитизации, выдержка в течение 20 мин, охлаждение с печью (скорость охлаждения ~3°С/мин) до 680-700°С и изотермическая выдержка при этой температуре. Использовали также циклические режимы отжига, состоящие из двух или трех указанных циклов нагрева и охлаждения. В некоторых случаях вместо изотермической выдержки при 680-700°С проводили замедленное охлаждение.
После деформации при 800°С и отжига стали 65Г участки явно выраженной пластинчатой структуры почти не наблюдались. Степень сфероидизации повышалась при снижении температуры деформации. Твердость образцов после двухциклового отжига изменялась с изменением температуры прокатки немонотонно. Сравнительно низкую твердость получали после прокатки при 1100 и 800°С. Прокатка при промежуточных температурах приводила к получению после отжига повышенной твердости, по нашему мнению, из-за оказывающих противоположное влияние степени сфероидизации цементита и дефектности твердого раствора. После отжига по трехцикловому режиму структура стали 65Г была практически полностью сфероидизирована. Лишь в отдельных местах наблюдались обособленные пластинки или цепочки зернистых карбидов, ориентированные вдоль бывших пластинок. Твердость не зависела от температуры деформации и находилась на уровне HB 150.
Предварительная закалка непосредственно после деформации способствует получению практически полностью сфероидизированной структуры после отжига по всем исследованным режимам. Размеры карбидных частиц увеличиваются с ростом температуры прокатки. В случае прокатки при относительно низких температурах сохраняется ориентированное расположение цементитных частиц вдоль бывших мартенситных кристаллов. После отжига по трехцикловому режиму степень ориентировки структуры уменьшается. В образцах, деформированных при 1000°C, наблюдались довольно крупные карбидные частицы, расположенные как по границам, так и внутри зерен феррита (рис. 100).
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

Условия сфероидизации в легированной стали существенно отличаются от условий сфероидизации в углеродистой стали. Как показали эксперименты, цементит стали 18ХГТ сфероидизирует после отжига по режиму: нагрев до 750-770°С, охлаждение до 700-710°C и выдержка при этой температуре в течение часа. Однако нередко большие трудности вызывает получение после отжига однородной структуры. Поскольку в горячекатаной стали получается различная исходная структура - от феррито-перлитной до бейнитной - приходится использовать довольно длительные режимы отжига (25 ч и более), которые благодаря продолжительной выдержке в районе критической точки приводят к получению однородной структуры.
После отжига по сокращенному режиму (нагрев до 750-770°С, выдержка 20 мин, охлаждение до 650°С со скоростью не более 50°С/ч) удовлетворительную структуру получали не всегда. Анализ связи структуры отожженных образцов с параметрами деформации показал следующее. В случае последеформационного охлаждения на воздухе равномерное распределение цементитных частиц наблюдали лишь после прокатки при достаточно высоких температурах и небольших обжатиях (рис. 101 а). Прокатка при пониженных температурах (особенно при 850-750°С) приводила к получению крайне неоднородной структуры после сфероидизирующего отжига - наблюдались крупные участки структурно-свободного феррита (рис. 101 б). После прокатки со значительным суммарным обжатием (около 70%) однородной структуры не было получено даже после деформации при 1000°С.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

Применение последеформационного ускоренного охлаждения дало возможность несколько расширить диапазон условий деформации, позволяющих получить удовлетворительную структуру после отжига. В случае прокатки с разовыми обжатиями 20 и 30% однородная структура получена в образцах, деформированных как в области достаточно высоких (1000-1200°С), так и пониженных (800-750°С) температур. Неудовлетворительную структуру имели образцы, прокатанные с разовыми обжатиями 20 и 30% в интервале 950-850°С. Дробная деформация приводила к получению более равномерной структуры.
Сопоставление структур отожженных и горячекатаных образцов показало, что наиболее равномерная структура после отжига получается в образцах с исходной бейнитной структурой. При исходной феррито-перлитной структуре неоднородность сохраняется и после отжига. Механические свойства образцов, термически обработанных по сокращенному режиму, во всех случаях соответствовали требованиям технических условий. Интересно, что характер изменения твердости горячекатаных образцов в зависимости от температуры прокатки (рис. 102) идентичен характеру изменения твердости горячекатаных образцов (см. рис. 62). Полученный результат свидетельствует об определенном наследовании структуры металла после сфероидизирующего отжига.
Проведенные исследования позволили заключить, что использование регламентированной горячей деформации в сочетании с ускоренным последе-формационным охлаждением дает возможность значительно сократить длительность сфероидизирующего отжига путем уменьшения времени выдержки при надкритической температуре. В этом случае продолжительность отжига должна лимитироваться только временем прогрева садки. При однородной исходной структуре выдержка при надкритической температуре должна быть минимальной, поскольку желательно сохранить нерастворившиеся карбидные частицы или, по крайней мере, концентрационные неоднородности в аустените.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

В сортопрокатном цехе одного из металлургических заводов проведено опытно-промышленное опробование предложенной технологии. После прокатки (температура конца прокатки 980-1000°С) часть металла охлаждали на воздухе, часть подстуживали водой до 650-600°С. Исследование микроструктуры горячекатаного металла показало, что после охлаждения на воздухе структура этого проката состояла из феррита и перлита, в то время как структура ускоренно охлажденного проката представляла собой верхний бейнит. Сталь подвергали сфероидизирующему отжигу как по принятому на заводе, так и по предложенному режиму. Микроструктура полос, подстуженных водой до 650-600°С, после отжига по предложенному режиму состояла из точечных карбидов, равномерно распределенных в ферритной матрице. После отжига по заводскому режиму карбидные частицы были несколько крупнее. У полос, охлажденных после прокатки на воздухе, сфероидизация карбидов произошла после отжига и по опытному, и по заводскому режимам. Однако, особенно после отжига по опытному режиму, цементитные частицы не были распределены равномерно, а группировались в районе бывших перлитных колоний. Наблюдалось значительное количество структурно-свободного феррита. Как видно из табл. 21, механические свойства во всех случаях отвечали требованиям технических условий.
На основании выполненных исследований разработана технология сфероидизирующей обработки полосы из стали 18ХГТ, включающая регламентированную пластическую деформацию (температура конца прокатки не ниже 1000°С), ускоренное последеформационное охлаждение до 650-600°С и сфероидизирующий отжиг по сокращенному режиму. Таким образом, регламентация условий деформации и последующего охлаждения позволяет сократить режим сфероидизирующего отжига стали 18ХГТ.
Пластическая деформация и сфероидизирующая термическая обработка стали

Отжиг шарикоподшипниковой стали ШХ15 по режиму, состоящему из нагрева до 800-820°С, выдержки в течение 1 ч и последующего охлаждения до 640°С со скоростью 20°С/ч, не позволил выявить тесной зависимости между структурой образцов и условиями деформации и последующего охлаждения. Применение ускоренного охлаждения после прокатки позволяет получить структуру с более равномерным распределением цементитных частиц. Структура зернистого перлита соответствовала в основном 1-2-му баллу шкалы 8 ГОСТ 801. Твердость составляла HB 196-207, что соответствует требованиям стандарта.
С целью выяснения влияния условий деформации и последеформационного охлаждения на склонность стали ШХ15 к сфероидизации проводили также отжиг по режиму, состоящему из нагрева до 760-780°С, выдержки в течение 0,5 ч, охлаждения с печью (со скоростью 3°С/мин) до 680-700°С, выдержки при этой температуре в течение 3 ч и последующего охлаждения с печью до 640°С. После отжига по такому режиму структура зернистого перлита 1-2-го балла получена во всех образцах, ускоренно охлажденных после деформации. В случае последеформационного охлаждения на воздухе такая структура получена лишь в образцах, прокатанных при 850°С. Прокатка при более высоких температурах приводила к сохранению после отжига небольшого количества карбидов пластинчатой формы (5-й балл). Таким образом, обнаруживается некоторое различие в склонности шарикоподшипниковой стали к сфероидизации в зависимости от условий деформации, но это различие нельзя считать существенным.
Необходимость регламентации условий горячей деформации шарикоподшипниковой стали обусловлена прежде всего требованиями по допустимому развитию цементитной сетки. Как показали наши исследования, наименьшее развитие цементитная сетка получает в случае деформации при 850°С. Ускоренное охлаждение до 600-650°С является важным способом борьбы с сеткой. Снижение температуры деформации до 800°С и ниже приводило к усилению развития цементитной сетки даже при использовании ускоренного последеформационного охлаждения. Влияние цементитной сетки происходит в процессе деформации или междеформационных пауз.
На основании проведенных исследований сделаны следующие практические рекомендации по прокатке шарикоподшипниковой стали. Прокатку профилей небольшого сечения (примерно до 25-30 мм) при содержаниях углерода и хрома, близких к среднему марочному, можно проводить без регламентации температурного режима. При содержаниях углерода и хрома, близких к верхнему пределу, а также при больших сечениях прокатываемых профилей деформацию желательно заканчивать в интервале 900-850°С. Во всех случаях целесообразно ускоренное последеформационное охлаждение до 650-600°С.
Из сопоставления полученных результатов следует, что для каждой группы сталей (углеродистых, конструкционных, легированных конструкционных и шарикоподшипниковых) характер влияния параметров горячей деформации на процессы сфероидизации при отжиге оказывается различным, поэтому дать единые технологические рекомендации для них не представляется возможным. Основную роль играют изменения при горячей деформации тонкой структуры аустенита, плотности и характера распределения дефектов кристаллического строения, характер наследования дефектов при полиморфных превращениях. Особенно четко это проявляется в углеродистых сталях. Процессы сфероидизации в стали, легированной карбидообразующими элементами, облегчаются в связи с повышением термической устойчивости карбидов. В тех случаях, когда требуется равномерное распределение цементитных частиц, важную роль в подготовке структуры к сфероидизирующему отжигу играет влияние деформации на механизм и кинетику распада переохлажденного аустенита. Выбор параметров деформации и последующего охлаждения в этих случаях диктуется необходимостью получения однородной квазиэвтектоидной или бейнитной структуры.
На основе результатов выполненных исследований разработаны новые способы сфероидизирующей обработки стали, корректирующие температурнодеформационные режимы прокатки.