Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Основой процесса, вероятно, следует считать идею термомеханической обработки (ТМО). Согласно известному определению TMO представляет собой совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения, в результате которых формирование окончательной структуры происходит в условиях повышенной плотности структурных несовершенств, созданных деформацией. К несовершенствам относят, в первую очередь, дислокации, их построения и границы зерен, поэтому полное устранение эффекта TMO происходит только в ходе собирательной рекристаллизации аустенита до его распада.
Основой классификации способов TMO является сочетание деформации и (γ-α)-превращения с учетом рекристаллизации аустенита. Следует отметить, что различия между схемами TMO определяются не положением температуры деформации, а типом структуры аустенита перед превращением, поскольку конкретное структурное состояние аустенита определяется параметрами деформации, последеформационного охлаждения и химическим составом стали. Применительно к конструкционным сталям варианты сочетания термических и деформационных процессов можно разделить на три группы:
— деформация в области стабильного аустенита, до начала превращения может протекать рекристаллизация (к этой группе относится ВТМО, ВТМизО).
— деформация в области метастабильного аустенита; рекристаллизация до начала превращения не наблюдается (НТМО, аусформинг);
— деформация в ходе превращения (НТМизО, изоформинг).
Как известно, наиболее эффективным способом повышения,
как прочности, так и хладостойкости конструкционных сталей является измельчение зерна. Процесс термомеханической прокатки позволяет достигнуть измельчения зерна путем объединения пластической деформации и управления процессами формирования структуры. Основные этапы процесса: нагрев заготовки, черновая (предварительная) прокатка, чистовая (окончательная) прокатка, последеформационное охлаждение. Свойства, достигнутые при использовании этого процесса, не могут быть обеспечены применением только термической обработки.
Результаты исследований металловедов, изучающих связи между структурой, свойствами и режимами обработки, способствовали разработке и оптимизации процессов ТМО. Основные усилия различных стадиях технологического процесса: при нагреве, при предварительной и окончательной деформации, и при последеформационном охлаждении.
Для низколегированных высокопрочных сталей широкое применение нашла контролируемая прокатка (control rolling), но поскольку под этим термином многие авторы понимают различные процессы (например, прокатку с пониженной температурой окончания, просто с регламентированной температурой деформации, а также ряд других технологических схем), это понятие не является однозначным определением и его трудно классифицировать. К контролируемой прокатке (КП), по нашему мнению, можно отнести только такие технологические схемы, которые стабильно обеспечивают непосредственно перед (γ-α)-превращением (а также и на отдельных стадиях деформации) заданное состояние аустенита (наклепа, полигонизации или первичной рекристаллизации).
Контролируемая прокатка с завершением в (γ+α)-областивключает в себя три стадии деформации:
— выше температуры рекристаллизации аустенита T95 (во всех междеформационных паузах рекристаллизация аустенита проходит полностью);
— деформация ниже температуры рекристаллизации аустенита (T5), но выше точки Ar3 (рекристаллизация аустенита заторможена полностью, наблюдается образование деформированных «оладьеобразных» зерен аустенита, формирование внутри них полос деформации и других дефектов, что приводит к увеличению межфазной поверхности аустенита и увеличению мест зарождения феррита);
— деформация в двухфазной (γ+α)-области (наклеп и последующая полигонизация приводят к формированию субзеренной структуры в феррите).
Три стадии контролируемой прокатки полностью соответствуют трем приведенным выше вариантам термомеханической обработки. Последеформационное охлаждение после контролируемой прокатки с завершением деформации в (γ+α)-области обычно осуществляется на спокойном воздухе, однако в ряде случаев применяется регламентированное ускоренное охлаждение. Технологическая схема может включать в себя одну или две описанные выше стадии деформации; в первом случае измельчение зерна достигается только за счет многократной рекристаллизации аустенита (обычно в этом случае используют специальный состав стали и последеформационное ускоренное охлаждение; во втором случае дополнительным механизмом измельчения является наклеп аустенита, в такой схеме также обычно применяют ускоренное охлаждение.
Основной механизм измельчения зерна при КП — формирование оптимальной структуры аустенита с высокой удельной поверхностью аустенита Sv.
На рис. 5.1 показан механизм формирования удельной поверхности Sv в черновой и чистовой стадиях прокатки, а на рис. 5.2 — связь Sv с размером зерна феррита. Цель регулирования процесса обработки аустенита — максимально увеличить значение параметра Sv — удельной эффективной поверхности аустенита для того, чтобы в процессе превращения сформировать наиболее мелкое зерно феррита.
Существует два подхода к достижению наибольшего значения Sv. Первый, и наиболее популярный состоит в управлении процессом наклепа аустенита при деформации ниже температуры рекристаллизации (T5 или Tnr). Для этого выбирают такой состав стали, чтобы эти температуры были высокими (900 °C и выше), что означает возможность реализации большего количества проходов при условии отсутствия рекристаллизации аустенита. Это приводит к получению деформированных («оладьеобразных») зерен аустенита и большей величине Sv. Второй, более применимый для маломощных станов или для прокатки листов большой толщины способ заключается в прокатке с контролируемой рекристаллизацией (recrystallization controlled rolling — РКП), при этом температура остановки рекристаллизации аустенита должна быть наоборот очень низкой, но легирование стали таково, чтобы подавить рост аустенитных зерен. Этот способ основан на многократной рекристаллизации аустенита при наличии барьеров для роста и измельчении при этом зерна. Такой способ может быть как отдельной технологической схемой (РКП), так и частью КП (ТМП), где эта схема реализуется в черновой стадии.
Актуален вопрос — что важнее: измельчить зерно аустенита или осуществить его наклеп, в каком варианте результат лучше? Практика говорит о том, что высокую хладостойкость не удается получить с использованием РКП, с другой стороны, неправильно выполненная черновая стадия прокатки не позволяет реализовать формирование мелкозернистой и однородной структуры при КП.
Преимущества высокого Sv очевидны при рассмотрении влияния этого параметра на размер зерен феррита в ферритно-перлитных сталях (см. рис. 5.2). Эти же данные говорят о том, что зависимость размера зерна феррита от величины Sv одинакова как для ре кристаллизованного, так и для нерекристаллизованного аустенита.
Технологический процесс контролируемой (термомеханической) прокатки состоит из нагрева, черновой и чистовой стадий прокатки и последеформационного охлаждения. Далее рассматриваются процессы формирования структуры и свойств, происходящие на отдельных стадиях контролируемой прокатки.