» » Рекристаллизационная контролируемая прокатка и «нормализующая прокатка»
25.01.2015

Как и другие виды термической обработки, нормализация является технологической операцией, повышающей стоимость готовой продукции, поскольку ее проведение связано со значительными затратами энергоносителей (природного газа).
Если процесс прокатки листа происходит в нижней части аустенитной области, то получаемая микроструктура примерно такая же, как у нормализованного металла. Фактический температурный режим горячей прокатки в значительной мере зависит от толщины проката, для прокатки таким способом более толстых листов режим должен быть скорректирован за счет введения временной задержки. С целью поддержания действующей производительности стана используют технологические режимы, позволяющие одновременно прокатывать несколько слябов.
Технологический процесс, используемый для исключения нормализации получил наименование нормализующей (нормализационной) прокатки (НП). Указанный термин возник из-за того, что заключительная стадия процесса проводится в области температур нормализации (несколько выше критической точки A3) и при этом достигается структура и комплекс свойств, близкие к уровню нормализованного металла. Цель процесса — за счет протекания процесса рекристаллизации при пониженных температурах и достаточных обжатиях максимально измельчить зерно аустенита. Кроме экономических преимуществ процесса нормализующей прокатки, металл имеет лучшее качество поверхности — без следов грубой окалины, обычно образующейся в процессе термообработки.
Для обоснованного выбора режима деформации с точки зрения формирования структуры необходимо знание кинетики превращения горячедеформированного аустенита, второй структурный аспект, который следует учитывать — кинетика рекристаллизации аустенита. По имеющимся данным критическая точка Ar3 начала выделения феррита при небольших скоростях охлаждения для углеродистых сталей находится в области 800-820 °С, для низколегированных — 770-790 °С, температура рекристаллизации аустенита таких сталей находится вблизи 800 °C (при наличии в стали микролегирующей добавки ниобия 900 °C и выше — в зависимости от содержания ниобия), соответственно при НП деформация может завершаться при достаточно высоких температурах. Для более точного определения температурно-деформационных параметров нормализующей прокатки, обеспечивающих получение всего требуемого комплекса свойств, необходимо проведение экспериментов.
Эффективность применения контролируемой прокатки для повышения комплекса свойств сталей широко известна. Однако для ее реализации требуется применение мощного прокатного оборудования и сталей оптимального химического состава. В ряде случаев нет необходимости применять эту технологию, поскольку требования к сталям относительно невысоки. При этом достаточно использовать иные, более высокотемпературные технологические схемы прокатки, позволяющие получать прокат повышенной прочности и удовлетворительной вязкости без дополнительных затрат на термическую обработку, например, нормализацию.
При рекристализационной контролируемой прокатке (РКП) комплекс повышенных свойств достигается: измельчением зерна аустенита путем многократной рекристаллизации (температура деформации выше температуры рекристаллизации аустенита), сохранением его размера до (γ-α)-превращения, измельчением зерна феррита (до 6-7 мкм) за счет ускоренного охлаждения и дисперсионным упрочнением частицами карбонитридной фазы ванадия. Наиболее эффективно РКП может быть применена для специально разработанных V-Ti-N-содержащих сталей, обеспечивающих торможение роста зерна аустенита частицами TiN, широкий температурный интервал полного протекания рекристаллизации аустенита и эффективное дисперсионное твердение фазой V(C, N).
Принципиально РКП и НП достаточно близкие процессы: деформация проводится в относительно высокотемпературной области с целью измельчения зерна. Однако, РКП занимает свое место в системе классификации схем TMO: температурный интервал проведения этого процесса выше температуры рекристаллизации аустенита (T95). Кроме того, понятие РКП включает и дополнительные приемы по оптимизации технологии (температура нагрева под прокатку ниже температуры начала интенсивного роста зерна аустенита, последеформационное ускоренное охлаждение) и химического состава стали (система легирования V-Ti-N) для получения максимального результата. Основная идея РКП: наличие в структуре стали барьеров, которые тормозят рост зерна, но не задерживают процессы рекристаллизации. По имеющимся данным при РКП в толстолистовом прокате может быть сформирована структура с величиной зерна феррита ~6 мкм. Режим нормализующей прокатки определяется, в отличие от РКП, по результирующей структуре и свойствам металла и существенно зависит, например, от толщины проката.
Разработка оптимального режима РКП включает определение:
— температуры нагрева под прокатку, не превышающей температуры начала интенсивного роста зерна аустенита (~ 1150 °С);
— температурной области проведения деформации, обеспечивающей полное протекание рекристаллизации аустенита после каждого прохода (~800—1000 °С);
— параметров последеформационного охлаждения, обеспечивающих эффективное измельчение зерна феррита, достаточный уровень упрочнения и отсутствие значительного количества бейнита.
Рекристаллизационная контролируемая прокатка и «нормализующая прокатка»

На рис. 5.35 приведены кривые изменения размера рекристаллизованного зерна аустенита в зависимости от температуры деформации. При снижении температуры деформации с 1000 до 850 °C размер зерна в стали, микролегированной только ванадием, изменяется от 36 до 27 мкм, в то время как в стали того же базового состава с комплексным Ti-V-N-микролегированием изменение величины аустенитного зерна составляет всего 2,5 мкм (от 12,5 до 10 мкм). При снижении температуры деформации Si-Mn-стали до 800 °C рекристаллизационные процессы замедляются из-за более крупного зерна аустенита, и в ее структуре наблюдаются вытянутые нерекристаллизованные зерна, в то время как при тех же условиях деформации в стали системы легирования Ti-V-N наблюдаются равноосные мелкие зерна аустенита. Слабая температурная зависимость размера рекристаллизованного зерна аустенита Ti-V-N-сталей позволяет получить более однородную структуру готового проката в случае колебания параметров прокатки.
С целью получения модели преобразования аустенитного зерна для двух исследованных сталей (микролегированной V и V-Ti-N-содержащей стали) при статической рекристаллизации был реализован план эксперимента, представленный матрицей из 18 опытов с варьированием двух факторов на трех уровнях и одного фактора на двух уровнях. В качестве факторов были выбраны: величина исходного (перед деформацией) зерна аустенита D0 (17,4 и 44,6 мкм), температура деформации T (900, 950 и 1000 °С), степень деформации ε (0,2, 0,4, 0,6). По результатам исследования построены кривые (см. рис. 5.35), из которых хорошо видна зависимость размера рекристаллизованного зерна аустенита от величины исходного зерна и степени деформации, указанные зависимости для стали системы легирования V-Ti-N выражены в меньшей степени, чем для стали с добавкой только ванадия. Обработка результатов эксперимента позволила получить для функции отклика — размера рекристаллизованного зерна аустенита (Dr) следующее выражение для V-Ti-N-содержащей стали:
Рекристаллизационная контролируемая прокатка и «нормализующая прокатка»

Мелкое рекристаллизованное зерно аустенита необходимо сохранять до следующей стадии контролируемой прокатки или до (γ→α)-превращения. Как показали результаты исследований многочисленных авторов и собственные исследования, дисперсные частицы фазы TiN идеально подходят для этой цели, задерживая рост зерна и практически не тормозя рекристаллизационные процессы.
Рекристаллизационная контролируемая прокатка и «нормализующая прокатка»

На рис. 5.36 показано изменение размера рекристаллизованного зерна аустенита стали без микролегирующих добавок и V-Ti-N-содержащей стали (с повышенным содержанием азота) в процессе изотермической выдержки после деформации (при 900 и 1000 °С). В микролегированной стали рост зерна в значительной мере подавлен уже при температуре 1000 °С: средняя скорость роста за первые 60 с ниже в четыре раза, несмотря на существенно меньший размер зерен (большую движущую силу). Обработка полученных экспериментальных данных позволила получить следующую зависимость:
Рекристаллизационная контролируемая прокатка и «нормализующая прокатка»

Важнейшим параметром, определяющим построение технологической схемы контролируемой прокатки, является температура рекристаллизации аустенита, которая зависит от состава стали и условий деформации. В данной ситуации важным фактором является температура T95, выше которой в данных условиях деформации рекристаллизация протекает полностью (на 95%).
Рекристаллизационная контролируемая прокатка и «нормализующая прокатка»

На рис. 5.37 приведены экспериментальные зависимости температуры рекристаллизации аустенита V-Ti-N-содержащей стали (минимальная температура деформации, через 10 с после которой при закалке в структуре аустенита не выявляется деформированных зерен). Температура рекристаллизации существенно зависит от размера исходного зерна и степени деформации. Эта температура определяется при разработке технологических параметров РКП и служит нижней температурной границей проведения деформации. Температура начала интенсивного роста зерна (1), полного прохождения рекристаллизации T95 (2) и величина температурного интервала РКП (3) V-Ti-N-стали приведены на рис. 5.38 в функции содержания в стали титана — для сравнения (4) приведены аналогичные параметры для Nb-содержащей стали.
Рекристаллизационная контролируемая прокатка и «нормализующая прокатка»

С применением РКП можно производить прокат с заданным комплексом свойств: повышенной прочностью и с ограниченными требованиями по вязкости. Например, листовой прокат толщиной до 40 мм с гарантированным временным сопротивлением 640 Н/мм2 с ударной вязкостью KCU 49 Дж/см2 при температуре испытания -40 °C после нормализующей прокатки предполагает получение комплекса свойств, аналогичного получаемому после нормализации.
Рекристаллизационная контролируемая прокатка и «нормализующая прокатка»

В ряде случаев требуется, чтобы прочностные свойства изменялись незначительно (например на величину, не более 50 Н/мм2) в том случае, если потребитель будет проводить нормализацию проката или изделия. На рис. 5.39 приведены промышленные данные, отражающие разницу в свойствах проката из низколегированной стали S345 после нормализующей прокатки и нормализации, из которых видно, что эта разница (не более 50 Н/мм2) имеет место при температуре окончания прокатки не ниже 880 °С.