Способ деформационно-термической обработки биметаллического материала
METHOD FOR DEFORMATION-HEAT TREATMENT OF BIMETALLIC MATERIAL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформационно-термической обработке металлов, а именно к производству слоистых конструкционных металлических материалов, которые могут быть использованы для создания металлических конструкций, предназначенных для применения в изделиях нефтегазохимии и высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе в агрессивных средах.
2
2
2
В настоящее время железнодорожные и автомобильные цистерны для широкого класса грузов изготавливаются из стали 09Г2С, а также биметаллического листа ВСтЗсп5 + 12Х18Н10Т. Предел прочности этих сталей не превышает 550 МПа, а величина ударной вязкости составляет 40 Дж/см при комнатной температуре. Предел текучести этих сталей не более 350 МПа и 250 МПа, соответственно. Ударная вязкость KCU сталей 09Г2С и ВСтЗсп5 при минус 60°С не превышает 34 Дж/см, а ударная вязкость нержавеющей стали существенно выше и может достигать 160 Дж/см(Д.В.Ноняк, А.А.Бердыченко, Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности, 117-120, 2016).
Совершенствование конструкций цистерн идет по пути уменьшения их веса. На сегодняшний день основной выигрыш в весе цистерн может дать уменьшение веса ее котла за счет снижения толщины стенок, но для этого необходимо повысить прочность сталей, из которых изготавливаются котлы цистерн. Решение данной задачи требует применения свариваемых сталей с пределом прочности близким к 1000 МПа. С другой стороны, к котлам цистерн нового поколения предъявляются требования по коррозионной стойкости, что важно для транспортировки продуктов нефтехимии, а также пищевых продуктов. Для того чтобы обеспечить необходимую коррозионную стойкость конструкции, применяют нержавеющие стали, имеющие низкий предел текучести. Разрешить противоречие между прочностными и коррозионными свойствами сталей позволяет применение биметалла, в котором основной слой должен обладать высокой прочностью, а поверхностный слой будет представлять собой лист из коррозионностойкой стали.
Традиционными способами производства биметалла являются пакетная прокатка, сварка взрывом, ленточная наплавка, литейный способ, которые имеют существенные недостатки: низкую прочность сцепления слоев; наличие зон несплошностей; высокую себестоимость и низкую производительность. Производимый в настоящее время пакетной прокаткой биметаллический лист, отвечающий необходимым требованиям, согласно ГОСТ 10885-85 не позволяет уменьшить толщину стенок котлов цистерн, поскольку он обеспечивает прочность связи плакирующего и основного слоя (сопротивление срезу) менее 300 МПа.
Известен способ изготовления плакированного металлического листа (RU № 2629422, публ. 29.08.2017), при котором получают двухслойные и многослойные листы и плиты во всем диапазоне толщин от 8 до 120 мм с любым сочетанием марок сталей основного и плакирующих слоев. Технический результат достигается тем, что способ изготовления плакированного металлического листа, включающий подготовку контактных поверхностей плакирующего и плакируемого металлических листов, нанесение на плакирующий лист промежуточного слоя с получением промежуточной двухслойной заготовки, сборку пакета, его нагрев и деформирование горячей прокаткой до заданной толщины изготавливаемого плакированного металлического листа, состоит в том, что нанесение на плакирующий лист промежуточного слоя осуществляется приваркой взрывом листа металла, одинакового по химическому составу с металлом плакируемого листа и толщина которого меньше, чем толщина плакируемого листа, при этом при сборке пакета полученную промежуточную двухслойную заготовку размещают с одной или обеих сторон плакируемого листа. Перед горячей прокаткой производят сварку пакета, содержащего одну или две промежуточные двухслойные заготовки и плакируемый металлический лист, при этом размеры каждой промежуточной двухслойной заготовки больше или меньше размеров плакируемого листа на величину не менее величины катета сварного шва или размеры каждой промежуточной двухслойной заготовки равны размерам плакируемого листа. Перед сваркой пакета осуществляют подогрев заготовок до температуры не более 400°С, прокатку пакета осуществляют с единичным обжатием не менее 5%, при этом величина катета сварного шва составляет не менее 3 мм.
Недостатками данного способа является необходимость применения специализированного и энергозатратного оборудования, а также многоэтапность процесса. Также описанный способ обработки не обеспечивает получение требуемого уровня механических свойств.
Наиболее близкий к предложенному изобретению способ, принятый за прототип, описан в патенте (RU № 2633412, публ. 12.10.2017), заключающийся в изготовлении листов из плакированной стали, включающий получение заготовки листа, состоящей из основного слоя из углеродистой стали и плакирующего слоя из коррозионно-стойкой стали, и ее горячую прокатку. Нагрев заготовки перед горячей прокаткой осуществляют в диапазоне температур от 1200 до 1250°С, а охлаждение после прокатки ведут до температуры 600-650°С со скоростью не менее 7°С/сек c получением листа из плакированной стали, причем плакирующий слой из коррозионно-стойкой стали имеет мартенситную структуру и содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,01-0,15
Кремний
0,20-0,70
Марганец
0,50-4,5
Хром
13-16
Никель
2,7-6,5
Молибден
0,01-2,5
Титан
0,01-0,10
Ванадий
0,01-0,10
Ниобий
0,03-0,10
Азот
0,1-0,5
Фосфор
Не более 0,003
Сера
Не более 0,005
Железо и неизбежные примеси
Остальное
2
Недостатком данного способа является то, что хладостойкость основного слоя (ударная вязкость) составляет порядка 30-50 Дж/см при температуре минус 40°С, что существенно ниже значений, предъявляемых современными требованиями.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа деформационно-термической обработки биметаллического материала для получения уникального сочетания механических, технологических и эксплуатационных свойств.
Одним из перспективных методов получения биметаллических конструкционных материалов является темпформинг (прокатка при температуре отпуска).
Технический результат заключается в следующем:
- получение биметаллического материала, обладающего уникальной комбинацией механических, технологических и эксплуатационных свойств.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа деформационно-термической обработки биметаллического материала, включающего получение заготовки листа, состоящей из основного слоя и плакирующего слоя из коррозионно-стойкой стали, и ее прокатку, причем, двухслойную заготовку нагревают до температуры 650°С, после выдержки в течение 1 часа заготовку подвергают темпформингу в несколько проходов с обжатием 10% и подогревом до температуры отпуска до конечной истинной степени деформации не менее 1,5 после чего заготовку охлаждают на воздухе, в качестве основного слоя используют высокопрочную низколегированную сталь.
Пример осуществления:
Заготовка биметаллического материала с основой из высокопрочной низколегированной стали типа S700MC и наплавки из аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L, полученная методом электрошлаковой наплавки, была подвергнута деформационно-термической обработке по предлагаемому режиму.
2
2
В качестве предварительной обработки биметаллической заготовки была выбрана гомогенизация с последующей горячей осадкой. Гомогенизационный отжиг проводили при температуре 1100°С в течение 1 часа, затем стальная заготовка была подвергнута горячей осадке с истинной степенью деформации 0,7 при температуре 1100°С, охлаждение в воде. Далее заготовка была подвергнута очистке от слоя окалины и подготовлена к дальнейшей обработке. Далее двухслойная заготовка была нагрета в муфельной печи до температуры 650°С, после выдержки в течение 1 часа заготовка подвергалась темпформингу (прокатке при температуре отпуска) в несколько проходов до конечной истинной степени деформации 1,6. Обжатие за проход составило 10 %, после каждого прохода прокатки биметаллическую заготовку подогревали до температуры 650°С, охлаждение на воздухе. Ударная вязкость образца с V-образным вырезом в слое основы при комнатной температуре составляет 539 Дж/см, а ударная вязкость образца с V-образным вырезом в наплавленном слое при комнатной температуре составляет 248 Дж/см.
Применение предлагаемой деформационно-термической обработки позволит уйти от энергозатратной и трудоемкой пакетной прокатки, а также получить уникальную комбинацию механических, технологических и эксплуатационных свойств в биметаллическом материале для применения в изделиях нефтегазохимии и высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе в агрессивных средах.