Термическая обработка строительной стали повышенной прочности

Большаков В.И., Стародубов К.Ф., Тылкин М.А.

Металлургия, 1977 г.

ТЕХНОЛОГИЯ  УПРОЧНЯЮЩЕЙ  ТЕРМИЧЕСКОЙ  ОБРАБОТКИ  ПРОКАТНЫХ  ИЗДЕЛИЙ

Наряду с разработкой теоретических основ термической обработки конструкционных сталей, начиная с копта 50-х годов большое числю работ по созданию технологии и оборудования для упрочнения .проката выполнено в СССР.

В настоящее время применяют следующие технологические схемы термической обработки прокатных изделий из строительной стали: термическое упрочнение в потоке прокатного стана (с реализацией эффекта высокотемпературной термомеханической обработки), улучшение (закалка с высоким отпуском с отдельного нагрева) и нормализацию. Помимо этого, для формирования высоких механических свойств в процессе прокатки и последующего охлаждения металла используют контролируемую прокатку.

Выбор технологической схемы термической обработки определяется многими факторами.

Нормализация является наименее эффективным методом термической обработки прокатных изделий. Для ее осуществления требуются определенные капитальные затраты; в то же время упрочнение, достигаемое за счет нормализации, относительно невелико.

Основным видом упрочняющей термической   обработки проката является улучшение (закалка   и отпуск  или самоотпуск). Этим путем   можно повысить   прочность прокатных изделий в 1,5—2 раза, а   по пределу  текучести, по которому обычно ведут расчеты   прочности конструкций, даже в 3 раза. В силу различных причин, о которых подробнее будет сказано ниже, технологические процессы закалки и отпуска могут несколько различаться, и нередко в разных странах и на разных заводах они получают неодинаковые названия, хотя во всех случаях в их основе лежит один принцип—упрочнение стали   путем закалки и отпуска   или ускоренное охлаждение после прокатки или нагрева в печи.

Давно известна упрочняющая термическая обработка (термическое улучшение) прокатных изделий, остывших после прокатки на воздухе, с повторного нагрева в термических печах, состоящая из закалки и отпуска с отдельного нагрева под отпуск (или, реже, самоотпуска). Недостатками этого способа являются: необходимость строительства большого числа термических печей; расход топлива на нагрев проката; трудность рационального размещения изделий в нагревательных печах с точки зрения их транспортирования в печи и последующего пропуска через охлаждающие устройства; трудности, связанные с транспортированием изделий от стана к печам и т. д.

Достоинством упрочнения в потоке прокатного стана является возможность использовать тепло   прокатного нагрева, которое в настоящее время теряется бесполезно при охлаждении проката на воздухе. При использовании тепла прокатного нагрева сохраняется топливо, которое необходимо было бы израсходовать на повторный нагрев проката под термическую обработку. Кроме  того, отпадают большие капитальные затраты на сооружение нагревательных печей, специального здания для них, на оборудование, связанное с работой печей, и соответствующие эксплуатационные и транспортные расходы. При упрочнении в потоке прокатного стана представляется возможность использовать эффект высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО), если интенсивное охлаждение начинается вскоре после выхода металла из прокатного стана.

Долгое время термическая обработка многих видов проката не находила применения в основном из-за большой длины и нередко сложной формы изделий. Возможность использовать в старых прокатных цехах для термической обработки тепло, остающееся после прокатки, исключалась из-за больших колебаний температуры конца прокатки.

Характерной особенностью современного процесса прокатки на непрерывных станах является его поточность: все агрегаты располагаются в линию, по которой прокат движется безостановочно с большой скоростью (до 60 м/с). Остановить этот поток для выполнения какой-либо операции термической обработки практически невозможно.

Эти, >на первый взгляд, непреодолимые трудности, встающие на пути осуществления термической обработки изделий в потоке прокатки, удалось преодолеть на основе новых исследований в области теории термической обработки стали, создания новых, прогрессивных устройств для интенсивного охлаждения проката. Некоторые задачи удалось решить путем совершенствования оборудования прокатных цехов. Так, например, в современных высокопроизводительных прокатных станах колебания температуры конца прокатки благодаря автоматизации процессов нагрева заготовки в настоящее время снижены и не превышают ±20°С.

Высказывалось мнение, что температуры конца прокатки, принятые на наших металлургических заводах, слишком высоки в сравнении с температурами закалки,  принятыми при печном нагреве: опасались резкого увеличения зерна аустенита. Исследования показали, что при закалке изделий на выходе из прокатного стана опасность получения в стали крупного зерна аустенита исключается, так как зерно аустенита дробится в процессе прокатки.

Попытки использовать для закалки тепло, остающееся в изделиях после прокатки или ковки, предпринимались давно. Влияние деформации, предшествовавшей закалке, на свойства стали наблюдалось далеко не всегда. Сейчас известно, что закалка после завершения рекристаллизационных процессов не приводит к дополнительному изменению свойств в сравнении с обычной закалкой с печного нагрева. Лишь в середине пятидесятых годов, как известно, было твердо установлено, что изменение физических свойств стали наблюдается только в том случае, если закалка следует непосредственно за деформацией (эффект ВТМО).

Пластическая деформация изменяет характер распределения и увеличивает плотность несовершенств кристаллического строения — дислокаций, вакансий, дефектов упаковки, мало- и высокоугловых границ. Так как дефекты кристаллической решетки сильно влияют на формирование структуры сталей и сплавов при фазовых превращениях, то пластическую деформацию перед фазовыми превращениями или в период их развития можно использовать для создания оптимальной структуры термически обработанной стали. Таким образом, термомеханическая обработка — это вид термической обработки, включающей пластическую деформацию, которая влияет на формирование структуры при фазовых превращениях, происходящих во время термического воздействия [45, 62].

При высокотемпературной термомеханической обработке проводят горячую деформацию, закалку с деформационного нагрева и отпуск, (старение). При горячей деформации повышается плотность дислокаций и возникает горячий наклеп, который в процессе самой деформации может частично или полностью сниматься в результате развития динамической полигонизации с динамической рекристаллизацией.

При динамической полигонизации, как и при обычной статической, наблюдающейся при нагреве после холодной деформации, формирование и миграция малоугловых границ контролируются переползанием дислокаций. Отличие от статической полигонизации состоит в том, что в процессе горячей деформации под действием приложенных напряжений дислокации все время «нагоняются» в тело субзерен. Аналогично отличие динамической рекристаллизации от статической. Во время горячей деформации непрерывно чередуются процессы упрочнения (повышения плотности дислокаций) и разупрочнения (уменьшения плотности дислокаций при полигонизации и рекристаллизации).

В зависимости от состава стали, температуры, скорости, степени и схемы деформации сплав в момент окончания горячей деформации может находиться в наклепанном состоянии, иметь полигонизованную, рекристаллизованную или смешанную структуру (частично полигонизованную, частично рекристаллизованную)„ Следовательно, надо отметить, что представление о том, что в период горячей обработки давлением характерно обязательное прохождение рекристаллизации в период деформации, противоречит экспериментам и является устаревшим.

Полностью рекристаллизованная структура с минимальной плотностью дислокаций соответствует наиболее стабильному состоянию. Если к моменту окончания горячей деформации структура не рекристаллизована или рекристаллизована не полностью, то имеется стимул к статической рекристаллизации. По окончании деформирования с большими обжатиями можно наблюдать очень быструю рекристаллизацию без инкубационного периода, так как зародыши рекристаллизованных зерен образовались еще в процессе горячей деформации.