» » Классификация схем КП
25.01.2015

Возможно, первой публикацией о снижении температуры конца прокатки для измельчения зерна и улучшения свойств является статья (1958 г.), с которой можно начинать отсчет работам по контролируемой прокатке. Если суммировать данные работ прошедшего периода, основными параметрами контролируемой прокатки являются:
— температура и другие параметры нагрева под прокатку;
— температурно-деформационные параметры черновой стадии прокатки;
— толщина подката для чистовой стадии прокатки (суммарная степень деформации);
— температурно-деформационные параметры чистовой стадии прокатки;
— условия последеформационного охлаждения проката.
Параметры нагрева слябов под прокатку определяются из условий перевода в твердый раствор основной части микролегирующих элементов (V, Nb) и формирования достаточно мелкого и равномерного зерна аустенита. Таким образом, условия нагрева определяются кинетикой роста зерна и растворимости карбонитридных фаз. Последнее определяется соотношением содержания углерода и ниобия в стали: чем выше содержание углерода и ниобия, тем выше должна быть температура нагрева. Недостаточная температура нагрева приведет к потере прочности, слишком высокая — к потере вязкости и хладостойкости из-за получения грубого зерна. Например, в результате расчетов с использованием произведения растворимости [Nb] [С] для стали, содержащей 0,09% С и 0,058% Nb, определена температура нагрева: 1160-1170 °С.
Целью черновой стадии прокатки является максимальное измельчение зерна аустенита за счет процесса рекристаллизации аустенита после каждого прохода. Основные параметры стадии:
— максимально возможная степень деформации за проход (желательно не менее 15-20%);
— проведение деформации при температуре, превышающей температуру рекристаллизации аустенита (T95).
Температурно-деформационные условия чистовой стадии определяются необходимостью:
— осуществления деформации аустенита при температуре ниже температуры остановки рекристаллизации (T5) для формирования вытянутых «оладъеобразных» зерен аустенита с повышенной удельной плотностью границ и дефектов структуры внутри зерен (полос деформации, границ двойников и др.), что обеспечивает повышенное число мест зарождения феррита и измельчение зерна феррита;
— постепенного перехода в (γ+α)-область с деформацией выделившегося феррита, в котором происходит полигонизация с образованием субзеренной структуры, что обеспечивает повышение прочности и вязкости; также важным является формирование в феррите кристаллографической текстуры, что приводит к формированию характерного излома с «расщеплениями» и повышает хладостойкость проката.
Важным аспектом является баланс между измельчением зерна и наклепом феррита, для чего прокатку необходимо начинать выше точки Ar3, а завершать в (γ+α)-области.
Пример структуры низколегированной стали, формирующейся после контролируемой прокатки, в сравнении со структурой в горячекатаном соcтоянии, приведен на рис. 5.40.
Классификация схем КП

Последеформационное охлаждение может осуществляться на спокойном воздухе или ускоренно. Основными параметрами этого процесса являются: температура начала и завершения ускоренного охлаждения, скорость охлаждения (или скорости охлаждения на отдельных этапах). Из рис. 5.41, например, видно, что начиная с некоторой температуры окончания прокатки (в данном случае ~720 °С) применение ускоренного охлаждения неэффективно, поскольку превращение в значительной степени проходит до начала ускоренного охлаждения.
Известно множество технологических схем КП, различия между которыми часто условны. В ряде случаев простое установление определенной температуры окончания прокатки называлось контролируемой прокаткой.
Положение усложнялось в связи с использованием КП в комплексе с УО, при этом появилось несколько условных понятий:
— ускоренное охлаждение,
— интенсивное ускоренное охлаждение,
— закалка с прокатного нагрева.
В целом надо было разобраться, что такое контролируемая прокатка, чем она характеризуется, какие схемы существуют и что обеспечивает каждая из них с точки зрения формирования структуры и свойств, как выбирать химический состав стали, подвергаемой КП.
Анализ процессов структурообразования при горячей деформации позволил установить условия эффективного воздействия деформации на структуру стали с воспроизводимым достижением заданного структурного состояния аустенита или продуктов его распада (рекристаллизация, наклеп, полигонизация). Иными словами — технологическая схема КП предполагает не только контроль технологических параметров (заданной температуры окончания прокатки, степени деформации и др.), но и управление процессами структурообразования путем правильного выбора параметров деформации, охлаждения и химического состава стали.
Возможности эффективного применения контролируемой прокатки (достижения воспроизводимых результатов направленного воздействия на структуру) реализуются только в ограниченных температурных интервалах, определяемых взаимным расположением критических точек превращения и характеристических температур рекристаллизации данной стали, эти интервалы и есть стадии КП, обеспечивающие получение заданного структурного состояния аустенита, или продуктов его распада.
Классификация схем КП

Варианты процесса контролируемой прокатки приведены ниже:
I — Тдеф ≥ T95 аустенита (измельчение зерна за счет многократной рекристаллизации аустенита);
II — T ≥ Тдеф ≥ Ar3 (наклеп аустенита, сопровождающийся увеличением Svэфф);
III — Ar3 ≥ Тдеф ≥ Ar1 (наклеп феррита и его полигонизация).
При этом все варианты осуществления контролируемой прокатки (определяемые граничными условиями структурообразования, а не параметрами технологии) сводятся к трем типам и представляют собой комбинации перечисленных стадий (рис. 5.42):
— рекристаллизационная контролируемая прокатка (РКП) — I стадия деформации (с последующим ускоренным охлаждением); основные механизмы улучшения комплекса свойств — зернограничное упрочнение и дисперсионное твердение;
— высокотемпературная контролируемая прокатка (ВКП), которая наряду со стадией I дополнительно включает стадию II деформации, обычно с последующим ускоренным охлаждением, при этом обеспечивается более эффективное измельчение зерна, дисперсионное твердение, упрочнение превращением;
— низкотемпературная контролируемая прокатка (НКП), которая дополнительно включает стадию III деформации (в (γ+α)-области), обеспечивающую субзеренное и дислокационное упрочнение и формирование кристаллографической текстуры феррита.
Стабильное получение заданного структурного состояния аустенита или продуктов его распада, а также устойчивость против малых отклонений параметров и содержания элементов является отличительным признаком КП от прокатки с регламентированными параметрами.
Прочие варианты следует классифицировать как прокатку с регламентированными параметрами, или использование элементов КП, при этом эффективность воздействия на структуру снижается.
При РКП комплекс повышенных свойств достигается измельчением зерна аустенита путем многократной рекристаллизации, сохранением его до (γ-α)-превращения, измельчением зерна феррита (до 6-7 мкм) при ускоренном охлаждении (практически РКП всегда включает в себя стадию последеформационного ускоренного охлаждения) и дисперсионным упрочнением. Основные закономерности структурообразования изложены в работах. РКП может быть наиболее эффективно применена для специально разработанных V-Ti-N-содержащих сталей, обеспечивающих торможение роста зерна аустенита частицами TiN, низкую температуру T95 и эффективное дисперсионное твердение благодаря присутствию фаз V(C, N).
ВКП наиболее эффективна при последующем регламентированном ускоренном охлаждении (ВКПУО или, как ее обычно обозначают зарубежные исследователи, ТМСР) и позволяет получать стали (низколегированные и легированные Cr, Ni, Cu, Mo с микродобавкой ниобия) повышенной и высокой прочности с высоким уровнем сопротивления разрушению. Реализуемые структурные механизмы: измельчение зерна аустенита на стадии I деформации, формирование структуры аустенита с высокой Svэфф на стадии II и управление превращением на стадии регламентированного ускоренного охлаждения. Конечная структура: мелкозернистый феррит (обычно размер зерна 4-5 мкм) в смеси с бейнитом, или преимущественно дисперсный низкоуглеродистый бейнит в зависимости от режима охлаждения и композиции легирования стали.
В низкоуглеродистых низколегированных сталях после термомеханической прокатки может формироваться смесь разнообразных ферритных фаз, которые образуются в различных температурных интервалах: полигональный, квазиполигональный, бейнитный феррит, мартенсит.
Деформация аустенита при температурах ниже T5 дает возможность в большей степени воздействовать на конечную структуру стали, чем в случае протекания (γ-α)-превращения из рекристаллизованного зерна. Удлиненная форма зерен в деформированном аустените (увеличенная удельная площадь поверхности границ), формирующиеся внутри них полосы деформации, границы двойников, ячеистая дислокационная структура и прочие дефекты, которые могут являться местами зарождения новой фазы, увеличивают удельную эффективную поверхность аустенита Svэфф. Установлена количественная взаимосвязь величины зерна феррита (Df) с Sv деформированного аустенита и скоростью охлаждения (1,5-13,8 °С/с) в интервале превращения:
Классификация схем КП

HKП обеспечивает сочетание высокой прочности и сопротивления хрупкому разрушению микролегированных ниобием сталей с ферритно-перлитной структурой. Процессы структурообразования при НКП отличаются от ВКП наличием дополнительной третьей стадии деформации, в ходе которой происходит наклеп и последующая полигонизация феррита (при более низких температурах деформации она может быть заторможена и формируется ячеистая структура и иные дислокационные построения), кроме того, формируется кристаллографическая текстура, являющаяся причиной специфического характера разрушения с образованием «расщеплений» в изломе.
Как реализуются многостадийные схемы КП? Особенно с учетом того, что с металловедческой точки зрения, есть три стадии КП. А с точки зрения технологии их обычно две — черновая и чистовая.
Приведем несколько примеров. НКП с завершением деформации в (γ+α)-области с металловедческой точки зрения включает все три стадии, а технологически обычно имеет черновую и чистовую стадии. Чистовая стадия прокатки проводится так, что деформация начинается в γ-области и при снижении температуры раската прокатка продолжается в (γ+α)-области. При определенных условиях (например, большая толщина проката и, соответственно, подката для чистовой стадии) прокат остывает медленно или даже нагревается в процессе прокатки, для достижения требуемой температуры окончания прокатки при приемлемой производительности надо начинать чистовую стадию прокатки при достаточно низких температурах (даже ниже Ar3), что нарушает правильное формирование структуры (происходят процессы роста зерна и выделения из аустенита, исчезает стадия наклепа аустенита) и приводит к огромному времени выдержки подката для достижения требуемой температуры (например, от 1000 до 750 °C подкат толщиной 120 мм и более может остывать 10-15 мин). Тогда появляется технологическая необходимость разделить чистовую стадию на две — с промежуточной паузой для подстуживания (технологически выделив стадии КП II и III). Охлаждение может проходить на воздухе (пауза уменьшается за счет уменьшенной толщины подката) или ускоренно. Таким образом, появилась дополнительная стадия. Теоретически чистовую стадию можно разделить и на три стадии (при необходимости завершать деформацию при крайне низких температурах — ниже 700 °С.
Также можно разделить и черновую стадию прокатки для лучшей проработки структуры и получения более мелкого рекристаллизованного зерна аустенита.