Формирование структуры и механических свойств проката в бунтах для переработки в изделия, изготавляемые методом холодной объемной штамповки

лем - важный этап при разработке нормативных документов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. № 2. С. 79-84.

73. Рубин ГШ., Полякова М.А. Развитие научных основ стандартизации // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. № 1(45). С. 97-101.

74. Данилова Ю.В. Совершенствование процедуры разработки стандартов на металлоизделие формализацией согласования позиций заинтересованных сторон: дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2016.

75. Рубин Г.Ш., Касаткина Е.Г. S-образная математическая модель единичной оценки качества // качество в обработке материалов. 2014. № 2. С.74-81.

76. Колокольцев В.М. Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова. История. Развитие // Вестник Магнитогорского государст-

венного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1(45). С. 5-6.

77. Колокольцев В.М., Разинкина Е.М., Глухова А.Ю. Подготовка квалифицированных кадров в условиях университетского комплекса // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. № 1-2. С. 615-618.

78. Колокольцев В.М. Новые тренды в развитии технического образования // Аккредитация в образовании. 2011. № 7(51). С. 52-54.

79. Колокольцев В.М., Разинкина Е.М. Университетский комплекс: интеграция и непрерывность // Высшее образование в России. 2011. № 5. С. 3-10.

80. Мезин И.Ю., Чукин М.В. Анализ вариантов формирования свойств исходной заготовки при производстве высокопрочной стальной арматуры для железобетонных шпал // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 4. С. 30-34.

Аннотация. В статье рассмотрено влияние химического состава стали и режимов термической обработки проката в бунтах на линии двустадийного охлаждения типа Stelmor на формирование микроструктуры и свойств металлопроката. Проведено исследование проката в бунтах и катанки из стали, предназначенной для переработки в высокопрочный крепеж методом холодной объемной штамповки (ХОШ).

Вышеуказанный сортамент бунтового проката микролегирован бором в различном количестве в зависимости от соотношения в стали бора и азота (B/N). Для стали под ХОШ B = Кобщ. + 0,003 %. При этом обеспечивается и взаимное связывание бора и азота в нитрид, что позволяет пластифицировать сталь. Излишний бор в несвязанном, свободном состоянии повышает закаливаемость стали и упрочняет ее, а также несвязанный азот обусловливает упрочнение твердого раствора кристаллической решетки феррита. В итоге обеспечивается требуемый НД и потребителями комплекс наилучших структуры и свойств проволочной металлопродукции - высокопрочного крепежа.

Ключевые слова: химический состав, микролегирование, бор, катанка, бунтовой прокат, линия двустадийного охлаждения Stelmor, термическая обработка, скорость охлаждения, структура, свойства, технологическая пластичность.

УДК 621.771.252.01; ББК 34.621С

Сычков А.Б., Шекшеев М.А., Малашкин С.О., Камалова Г.Я., Жигарев М. А., Столяров А.Ю.

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОКАТА В БУНТАХ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ В ИЗДЕЛИЯ, ИЗГОТОВЛЯЕМЫЕ МЕТОДОМ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

Введение

Современный электрометаллургический комплекс для производства сортового проката включает в себя следующее оборудование: 120-250 тонные дуговые сталеплавильные печи (ДСП), оснащенные альтернативными источниками энергии (газокислородными горелками по периметру и донными продувочными фурмами типа '^апагс"); установки для внепечной обработки стали ковш-печь (УКП); вакууматоры типа УБ/УОБ и RH; 5-8 ручьевые машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с обеспечением полной защиты разливаемых струй металла от вторичного окисления атмосферным воздухом и электромагнитного перемешивания стали (ЭМП) в промежуточном ковше, кристаллизаторе и/или по длине металлургической

линии МНЛЗ. Прокатный передел представляет из себя современные мелкосортные или проволочные станы, в состав которых входят: одна-две нагревательные печи с шагающим подом (ПШП) или шагающими балками (ПШБ), термостат, гидросбив печной окалины, черновая 6-10-ти клетевая, промежуточная 4-6-ти клетевая, чистовая сортовая 46-ти клетевая группы и 8-10-ти клетевой проволочный блок, в ряде случаев с 2-4-мя дополнительными TWIN-BLOCK (для осуществления, например прокатки в условиях низких температур). Используются клети «дуо» для продольной прокатки, которые могут быть с горизонтальным и/или вертикальным расположением рабочих валков с кантующими устройствами (кантующие проводки, валки), или под углом 45о (нескручивающие прово-

лочные блоки). Максимальные рабочие скорости сортовой группы составляют до 20 м/с, проволочной - 90-110 м/с. В конце сортовой и проволочной линий находятся установки для упрочняющей или разупрочняющей поточной термомеханической обработки проката в мерных длинах и бунтовой продукции катанки и арматуры в бунтах. В частности в потоке проволочного стана, располагают линии дву-стадийного (водяного и воздушного) охлаждения типа Stelmor различной конструкции. На таком современном оборудовании производят в том числе высококачественный прокат в бунтах и катанку для переработки в высокопрочный крепеж методом холодной объемной штамповки. Особенности структу-рообразования и формирования механических свойств в зависимости от металлургического качества стали и режимов термической обработки катанки и проката в бунтах вышеуказанного назначения приводятся ниже.

--73(100

Материалы и методы исследования

Объектом исследования является катанка и прокат в бунтах диаметром 5,5-14,0 мм из низкоуглеродистой нелегированной стали типа 1005-1022 по ASTM A 510/ASTM 510M, 20Г2Р по ТС/ТО 022003, микролегированных бором.

Катанку прокатывали на мелкосортно-проволочном стане из НЛЗ малого сечения 125х125 мм с последующей термической обработкой на линии двухстадийного охлаждения Stelmor стана 320/150.

Поточную термообработку катанки проводили сначала на проектной проволочной линии стана с «короткой» линией Stelmor (рис. 1), а позже - на реконструированной линии с «длинным» Stelmor (рис. 2).

Рис. 1. Схема участка водо-воздушного охлаждения катанки - «короткий» 81е1шог до реконструкции: 1 - десятиклетевой проволочный блок; 2 - трайб-аппараты; 3 - трасса водяного охлаждения; 4 - виткообразователь 5 - приемный стол; 6 - секции под теплоизолирующими крышками; 7 - секции окончательного охлаждения; 8 - сетчатый транспортер; 9 - вентиляторы (до 15 штук, мощность 15 кВт); 10 - регулирующие заслонки; 11 - шахта виткосборника

Рис. 2. Схема расположения технологического оборудования на участке двустадийного охлаждения -

линии длинный 81е1шог после реконструкции: 1 - секция предварительного водяного охлаждения; 2 - десятиклетевой проволочный блок; 3 - участок водяного охлаждения; 4 - холостые проводки (участки выравнивания температуры проката); 5 - трайберы; 6 - виткообразователь; 7 - приемный стол; 8 - секции интенсивного охлаждения; 9 - секции замедленного охлаждения; 10 - секции окончательного охлаждения; 11 - шахта виткосборника; 12 - ВБСО с мощностью N = 160 кВт; 17 - дутьевые вентиляторы с мощностью N = 55 кВт; 13 - БСО

с мощностью N = 55 кВт; 14 - пирометры

Проектная короткая линия имела общую длину 75 м, 15 вентиляторов мощностью по 15 кВт под цепным транспортером витков, участок под теплоизолирующими крышками длинной 40 м. Скорость транспортирования витков катанки цепным транспортером составляла 0,1-1,5 м/с. На такой линии можно было обеспечить скорость охлаждения витков катанки, разложенных виткообразо-вателем на цепном транспортере витков, в диапазоне 1,7-10оС/с. Для обеспечения скоростей охлаждения металла в диапазоне от 0,15-0,30 до 25-30оС/с, необходимых для формирования эффективной структуры проката широкого марочного состава с целью обеспечения безотжигового волочения с высокой степенью деформации, была проведена модернизация линии 81е1шог. После реконструкции линия «длинный» 81е1шог состоит из роликового каскадного транспортера витков длинной 147 м, 6 вентиляторов - блоков струйного охлаждения мощностью 160 кВт, 4 вентиляторов мощностью 75 кВт, участка под теплоизолирующими крышками длинной 120 м. Скорость роликового транспортера изменяется в диапазоне 0,09-1,5 м/с.

Выполнение исследований, связанных с разработкой химического состава и термической обработки (ТО) катанки повышенной деформируемости, обусловило необходимость и целесообразность проведения на различных стадиях технологического процесса производства химических анализов стали, катанки и проволоки, механических и технологических испытаний, изучения макро- и микро-

структуры, состава неметаллических включений, определении массы окалины на поверхности катанки, а также распределения основных упрочняющих элементов и постоянных примесей по сечению катанки. При проведении исследований использовался принцип комплексного подхода, включающий выполнение на одном и том же объекте различных видов анализов и испытаний.

Металлографические исследования проводились методами оптической и электронной (просвечивающей и растровой) микроскопии. Распределение химических элементов по сечению катанки и проволоки, а также химический состав неметаллических включений определялись на энергодисперсионном и волновом рентгеновских спектрометрах. Измерение микротвёрдости структурных составляющих производили на микротвердомерах при различных нагрузках.

Катанка испытывалась на разрывных машинах на растяжение. Исследование механических и технологических свойств проволоки проводили на образцах, отобранных на характерных (после сухого и мокрого волочения) профилеразмерах.

Исследования сварочно-технологических свойств проволоки на соответствие требованиям НД производились в условиях производителя. Сварка осуществлялась полуавтоматом фирмы MILLER (США) модели BLU PAK 35. Режим заварки пластин в газовой смеси FAGON (аргон - 80 %, углекислый газ - 20 %) приведен в табл. 1.

Таблица 1

Диаметр проволоки, мм Сварочный ток, A Напряжение,В Скорость подачи проволоки, м/мин Межваликовая температура, °С

0,8 70-190 18-26 2,0-14,0 120-150

1,0 95-260 17-29 3,0-14,0 120-150

Теория, технико-технологические разработки, результаты и их обсуждение

Внедрение новых прогрессивных методов холодной объемной штамповки (ХОШ) при производстве высокопрочных крепежных изделий из углеродистых и низколегированных сталей стало возможным, благодаря разработке и внедрению новых технологических процессов производства проката для ХОШ, сматываемого в бунты. Как правило, для производства такого качественного металлопроката в мировой практике применяют непрерывно-литую заготовку (НЛЗ) крупного сечения со стороной 200-400 мм с последующей деформацией с достаточно большой степенью для полной выработки литой структуры.

Поэтому, например, для получения высококачественного проката на Белорусском металлургическом заводе (БМЗ) и Оскольском электрометаллургическом комбинате (ОЭМК, Россия) НЛЗ сечением 250х300 мм и 300х400 мм прокатывают на обжимном стане на заготовки более мелкого сечения - 125х125 мм и 130х130 мм. Затем контролируют качество катаных заготовок в линии де-

фектоскопии, после чего удаляют обнаруженные и отмеченные дефекты на обдирочно-шлифовальных станках или огневым способом.

Особенностью технологии производства проката на некоторых заводах является разливка стали в НЛЗ малого сечения (125х125 мм). Опыт производства и переработка проката для ХОШ из такого металла показал [1], что благодаря меньшему размеру сечения НЛЗ по сравнению с обычно применяемыми, улучшаются условия кристаллизации стали, устраняются сегрегация химических элементов по длине заготовки и усадочные явления. Однако при этом прокатка сопровождается меньшей степенью деформации металла, вследствие чего в готовом прокате наблюдаются остатки литой структуры [2]. Следует отметить, что в мировой практике нет опыта производства проката для холодной высадки из НЛЗ малого сечения при отсутствии в составе оборудования средств контроля поверхностных дефектов заготовки и абразивной зачистки этих дефектов. Основным требованием к горячекатаному прокату для ХОШ является способность выдерживать осадку в холодном состоя-

нии на величину деформации 66 или 75%. Согласно ГОСТ 10702-78 - на осаженных образцах не должно быть надрывов и трещин, но по согласованию изготовителя с потребителем допускается наличие поверхностных механических рисок глубиной не более 0,1 мм для проката диаметром до 20 мм и не более 0,2 мм для проката диаметром 20 мм и выше.

В международной практике качество поверхности осаженных образцов оценивается по специальной шкале [3], которой предусмотрено пять классов дефектов: 0; 1; 2; 3 и 4. Причем для ХОШ допускается класс дефекта не более 1, а средневзвешенное значение этого показателя (так называемого коэффициента осаживания F) должно быть в пределах 0,3-0,7 в зависимости от того, будет ли применяться при последующем переделе холодная или горячая высадка. Таким образом, без указанных выше согласований к качеству поверхности проката, требования отечественных НД соответствуют 0-му классу дефектов по эталонной шкале.

Статистическими исследованиями показано, что в 86% случаев прокат в бунтах диаметром 5,514,0 мм из низкоуглеродистой стали типа 10051022 по ASTM A510/A510M и 20Г2Р по ТС/ТО 022003, произведенный по текущим заказам, соответствует требованиям осадки для группы 66 - основному требованию к прокату для ХОШ.

Традиционная технология производства бор-содержащей стали и проката под ХОШ заключается в следующем. Сталь с содержанием бора 0,0010,005% в свободном эффективном состоянии разливается или в слитки весом более 8 т или крупные НЛЗ сечением более 300х300 мм. Соответственно этому деформационная проработка таких слитков достаточно интенсивна с частичным разрушением литой дендритной структуры и ее гомогенизацией. Указанное содержание в стали эффективного бора обеспечивает повышенную прокаливаемость стали. Для связывания азота для обеспечения наличия в стали свободного бора (исключения образования нитрида бора - BN) в сталь предварительно добавляют другие азотосвязывающие элементы типа титана, алюминия - преимущественно алюминия - в количестве, обеспечивающего 100% нейтрализацию азота [4-8].

Учитывая перечисленные выше аспекты, нами разработана и внедрена технология производства бунтового проката для ХОШ из стали 20Г2Р диаметром 5,5-14 мм из незачищенной НЛЗ малого сечения (125х125 мм), что не имеет аналогов в мировой практике. Например, в условиях ОАО "Кри-ворожсталь", где из слитка весом 9-12 т изготавливают катаную заготовку сечением 150х150 мм, которую затем зачищают от поверхностных дефектов и прокатывают в катанку, выход качественной заготовки из спокойной стали составляет только 7785%.

Эта пионерская сквозная технология [4, 9] производства катанки под ХОШ, заключается в следующем. Сталь марки 20Г2Р изготавливают без

микродобавок алюминия, который в традиционной технологии связывает азот в нитрид AlN, а добавляемый бор в количестве 0,001-0,005% в глубоко-раскисленную сталь остается в свободном - эффективном состоянии и тем самым увеличивает прока-ливаемость проката для ХОШ [6]. Для этой цели (повышения прокаливаемости) по новой технологии применяют отдачу бора с повышенным содержанием - 0,006-0,012% при выполнении условия В = ^бщ. + 0,003 (Кобщ. - общий азот). При этом бор выполняет одновременно две функции: первая -связывает азот в нитрид бора BN, вторая - остаток несвязанного бора обусловливает высокую прока-ливаемость стали. С другой стороны, связанный в нитрид бора азот выводится из твердого раствора внедрения, тем самым, понижая деформацию кристаллической решетки феррита, повышает пластичность металла и делает сталь нестареющей [8, 9]. Высокая пластичность катанки из стали 20Г2Р обусловлена и разупрочняющей

термомеханической обработкой на линии Stelmor [10], заключающейся в высокотемпературном виткообразовании (аустенитизации металла) при 940-960°С, затем длительной квазиизотермической выдержке под теплоизолирующими крышками без применения вентиляторного воздуха со скоростью охлаждения 0,25-0,15°С/с (скорость транспортера витков катанки по роликовому транспортеру 0,090,12 м/с). При этом обеспечиваются следующие механические свойства катанки: ств < 580 Н/мм2, > 60 %. Катанка имеет достаточно крупную ферритно-перлитную структуру с частично сфероидизированным перлитом с размером зерен № 7-8 по ГОСТ 5639-82.

Переработка проката в бунтах диаметром 5,5-14 мм из стали 20Г2Р, произведенной по вышеописанной технологии, дала положительные результаты при изготовлении деталей высокопрочного крепежа класса 8.8 с группой осадки 66 (предпочтительно) и даже 75.

Заключение

В статье рассмотрено влияние химического состава стали и режимов термической обработки (температуры аустенитизации металла, скорости охлаждения проката на обеих стадиях) проката в бунтах на линии двустадийного охлаждения типа Stelmor на формирование микроструктуры и свойств металлопроката под ХОШ.

Разработана пионерская сквозная технология производства катанки под ХОШ, заключающаяся в повышении прокаливаемости проката путем применения отдачи бора с повышенным содержанием - 0,006-0,012% .

Список литературы

1. Оценка соответствия качества катанки Молдавского металлургического завода требованиям к прокату для холодной высадки/В.В. Парусов, А.Б. Сычков, М.А. Жигарев и др. - Сб. Фундаментальные и прикладные

проблемы черной металлургии. - Днепропетровск: "В1З1ОН". - 2003. - Вып. 6. - С. 211-214.

2. Совершенствование технологии производства арматурной проволоки из непрерывнолитой заготов-ки/В.В. Парусов, В.А. Олейник, А.Б. Сычков и др. -Сталь.-1992. - № 11. - С. 63-67.

3. Шифферль Х.А. Катанка из непрерывнолитой заготовки. - Черные металлы. -1986. - № 7 - С. 53-58.

4. Особенности влияния бора на качественные характеристики стали для холодной высадки/В.В. Парусов, А.Б. Сычков, И.В. Деревянченко и др. - Сб. Строительство, материаловедение, машиностроение. - Днепропетровск: ПГАСиА. - 2005. - Вып. 32. - С. 62-68.

5. Парусов В.В., Парусов О.В., Сычков А.Б. Прокат из борсодержащих сталей для высокопрочных крепежных изделий. - Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2010. 160 с.

6. Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Бор-содержащие стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1986. -192 с.

7. Development and introduction of a technology for making bor-bearing steel/NA Bogdanov, AB Sychkov, IV Derevyanchenko, VV Parusov, AM Nesterenko, RV Starov a etc. - Metallurgist. February 1999. Vol. 43. Issue 2. P. 71-75.

8. Новое применение бора в металлургии/В.В. Парусов, А.Б. Сычков, И.В. Деревянченко, М.А. Жига-рев. - Магнитогорск: Вестник МГТУ. - 2005. - № 1(9). -С. 15-17.

9. Новая технология производства проката для холодной объемной штамповки из борсодержащей ста-ли/В.В. Парусов, В.Г. Черниченко, А.Б. Сычков, И.В. Деревянченко и др. - Сб. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. - Днепропетровск: "ВШОН".- 2004. - Вып. 7. - С. 300-311.

10. Разупрочняющая термомеханическая обработка проката из углеродистой стали/В.В. Парусов, А.Б. Сычков, В.А. Луценко и др. - Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2003.- № 6. - С. 54-56.

^УДК 621.774.38

Космацкий Я.И.1, Филяева Е.А.2, Фокин Н.В.1,Яковлева К.Ю.1 ----}

(ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НОВОГО ВИДА БЕСШОВНЫХ ТРУБ ТЯЕХ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Т1-3ЛЬ-2.5У

-)

Аннотация. Работа посвящена определению технологической возможности производства труб из сплава Ть3А1-2.5У за счет реализации технологии "ШЕХ, включающей в себя горячее прессование передельных труб и последующую холодную прокатку.

Ключевые слова: титановый сплав Ть3А1-2.5У, "ШЕХ, псевдо-а-сплав, горячее прессование, холодная прокатка

С целью определения технологической возможности изготовления труб по технологии TREX был проведен комплекс исследований, подтверждающий положительный результат реализации. Технология TREX (Tube Rolling Extrusion) заключается в горячем прессовании передельных труб и последующей холодной прокатке. Сквозная схема производства труб TREX представлена на рис. 1.

Работа с титановыми сплавами предусматривает необходимость учитывать особенности, которые в зависимости от структуры имеют каждый отдельный сплав. Сплав Ti-3Al-2.5V относится к псевдо-а-сплавам, которые представляют собой а-твердый раствор с небольшим количеством в-фазы (от 2 до 8%), сохраняя при этом многие достоинства и а- и а+в сплавов. Сплавы такого типа практически не чувствительны к упрочняющей термической обработке. Благодаря тому, что в структуре сплава присутствует в-фаза они имеют удовлетво-

1 ОАО «РосНИТИ»

2 ООО «ТМК НТЦ»

рительную технологическую пластичность в горячем и холодном состоянии, близкую к пластичности а+Р-сплавов. Псевдо-а-сплавы при одинаковой пластичности с а-сплавами имеют временное сопротивление на 10-20% выше. Это объясняется измельчением микрозерна и неоднородностью внутризеренной структуры при образовании двухфазной смеси а- и р-фаз [1].

Псевдо-а-сплавы закаливаются с образованием титанового мартенсита, представляющего собой твердый раствор легирующих элементов в а-титане. Мартенсит в псевдо-а-сплавах имеет слабую степень пересыщения, упрочнение сплава при этом незначительно.