Изменение структуры низколегированной стали в процессе производства

Изменение температуры низколегированной стали.

Денисов C.B., Завалищин А.Н., Кожевникова Е.В., Румянцев М.И.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

УДК 669.017.16:669.14.018.29

Денисов C.B., Завалищин А.Н., Кожевникова Е.В., Румянцев М.И.

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА

Аннотация. Изучено изменение структуры низкоуглеродистой низколегированной стали в процессе производства на различных технологических переделах. Показано, что при распределении фаз и структурных составляющих в конечной структуре горячекатаного проката существенную роль играют ликвационные явления. Последующая термическая обработка способствует повышению однородности структуры, а следовательно, улучшению механических свойств стали.

Ключевые слова: низколегированные стали, микроструктура, непрерывнолитая заготовка, контролируемая прокатка, термообработка.

На сегодняшний день активно проводятся исследования в области совершенствования производства низкоуглеродистых низколегированных сталей для строительных конструкций ответственного назначения. Непрерывный рост требований к уровню и стабильности свойств готовой металлопродукции предполагает изучение и внедрение новых химических составов сталей и металлургических технологий. Обеспечение комплекса свойств, сочетающих высокую прочность, вязкость, хладостойкость и свариваемость, а также снижение себестоимости их производства, является основной задачей при получении высококачественной низколегированной стали.

Для обеспечения требуемого уровня механических свойств и повышения работоспособности в экстремальных условиях эксплуатации необходимо в процессе листового проката сформировать структуру заданной морфологии с определенным соотношением структурных составляющих. Ликвации литого металла, которые наследуется при последующей прокатке, приводят к образованию неоднородной структуры и обусловливают снижение уровня механических свойств. Концентрационные изменения вносят значительный вклад в термодинамику и кинетику фазовых превращений в сталях, влияют на температуру А1 и А3, на диффузию, которая контролирует зарождение и рост карбидных частиц и формирование бейнита. В низкоуглеродистых сталях любые изменения химического состава на микроуровне вызывают изменения фазового состава и структуры, а значит, будут оказывать влияние на уровень механических свойств, в том числе по сечению проката [1].

В данной работе проведен анализ изменения структуры низкоуглеродистой низколегированной стали в процессе производства на различных технологических переделах на одних и тех же плавках от литой заготовки до готового проката с целью дальнейшего развития представлений о структурных изменениях в стали, влияния исходной на конечную структуру для возможной корректировки и регулирования технологии производства этих марок сталей.

Материал и методика исследования

Исследовали низколегированную сталь, содержащую 0,08% С, 1.6% Mn, 0.23% Si с добавками ванадия, ниобия и титана. Образцы одной и той же плавки отбирали в процессе производства непосредственно со сляба из зоны столбчатых кристаллов (образец 1) и из зоны равноосных кристаллов (образец 2); от готового проката из участков, соответствующих образцам 1, 2 на слябе, а также от термообработанного проката.

Структуру стали изучали на оптическом микроскопе Leica DM IRM 1, а также методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе JEOL JSM-6490. Травление металлографических шлифов проводили в пикриновой кислоте и в 3%-ном растворе HNO3.

Результаты исследования

Исходной заготовкой для производства низколегированной стали служит непрерывно литой сляб. При нагреве слябов под прокатку температурный режим выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимый размер первичного аустенитного зерна и растворение крупных частиц, являющихся концентраторами напряжений. Для данной стали температура нагрева лежит в интервале 1150-1200°С.

После кристаллизации в слябе различают три зоны с различной структурой. На поверхности образуется узкая зона мелких равноосных кристаллов (корка), за ней расположена зона столбчатых кристаллов в виде удлиненных дендритов, внутренняя часть сляба состоит из равноосных зерен. Структура образцов от литых слябов представлена на рис. 1.

При исследовании образцов в оптический микроскоп наблюдается неоднородная структура по сечению сляба; зона столбчатых кристаллов (рис. 1, а) представлена вытянутыми дендритами, по границам которых видны ферритные зерна, размеры которых меняются в широких пределах (от 10 до 100 мкм). Кроме того, внутри дендритов наблюдается значительное количество видманштеттового феррита и не-

большая доля перлита. В зоне равноосных кристаллов сляба (рис. 1, б) наблюдается существенно разнозерни-стая структура. Зерна феррита на границах равноосных кристаллов несколько крупнее, доля перлита больше. Кроме того, внутри зерен присутствуют, предположительно, закалочные структуры - бейнит, малоуглеродистый мартенсит (рис. 1, в). Появление закалочных структур в центральной зоне сляба можно объяснить наличием ликвации легирующих элементов в стали.

в

Рис. 1. Микроструктура низколегированной стали в литом состоянии: а -образец 1; б, в - образец 2

Однако исследование образцов литой стали на РСМА не показало существенной разницы в химиче-ском составе в различных структурных составляющих ввиду недостаточной чувствительности метода.

Применение контролируемой прокатки (КП) при производстве низкоуглеродистых конструкционных сталей ответственного назначения является основным

технологическим инструментом достижения заданных механических характеристик. Она включает следующие основные этапы: выбор соответствующего химического состава стали; нагрев слябов с контролируемой температурой, обеспечивающей оптимальную степень растворения карбонитридов и относительно мелкое и однородное зерно аустенитной фазы перед прокаткой; измельчение зерен аустенитной фазы за счет многократной предварительной деформации и рекристаллизации; междеформационная пауза с охлаждением до температуры рекристаллизации, финальная деформация аустенита с суммарным обжатием 50-80% при температурах ниже температуры его рекристаллизации; деформация в у-а-области; окончательное регулируемое охлаждение после прокатки [2].

Образцы низколегированной стали после КП отбирали из участков, соответствующих образцам 1, 2 на слябе, т.е. с края и центра листа. Микроструктура горячекатаной стали (образец 1) представлена на рис. 2.

б

Рис. 2. Структура низколегированной стали после КП (образец 1): а - поверхность; б - центральная зона листа

Сравнительный анализ образцов показал, что микроструктура в сечении листа по всей его ширине идентична и состоит из полигонального феррита и перлита. Общее количество феррита 93-95%. На поверхности листа структура достаточно однородная (рис. 2, а). В центральной зоне наблюдается допустимая полосчатость, содержащая перлит и закалочные структуры - предположительно малоуглеродистый мартенсит. Такое структурное строение по сечению полосы несколько противоречит формированию

Изменение температуры низколегированной стали.

Денисов С.В., ЗавалищинА.Н., Кожевникова Е.В, Румянцев М.И.

структуры в целом при контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением, так как динамика теплообмена в установке ламинарного охлаждения толстолистового стана горячей прокатки, в общем, предполагает интенсивное охлаждение поверхности листа и изменение скоростей охлаждения в центре за счет снижения теплоотвода из середины металла к поверхности. Таким образом, появление полос с закалочными структурами также может объясняться наличием ликваций легирующих элементов в стали. Кроме того, в данных областях наблюдаются крупные включения карбонитридов ниобия и титана (рис. 2, б), предположительно, в виде соединений ЫЬС, ЫЬ2С, ЫЬЫ, ЫЬ2Ы, ТЮ, ТЫ [3], что подтверждается исследованиями этих частиц методом растровой электронной микроскопии (рис. 3).

^ № я} Ре Спектр 1

Ре Мп

к А Ф .Т. Л

О 2 4 6 8 10 12 Полная шкала 5970 имп. Курсор: 7.340 (69 имп.) кзВ

Рис. 3. Структура центральной зоны горячекатаного листа низколегированной стали

По установленным стандартам и техническим условиям при производстве низкоуглеродистых низколегированных конструкционных сталей ответственного назначения, а также по требованию заказчика возможно применение термообработки, в частности отпуска. Кроме того, эту технологическую операцию в некоторых случаях можно использовать для устранения несоответствий по свойствам, полученным после контролируемой прокатки. Термическая обработка позволяет повысить однородность структуры, более равномерное распределение свойств, как по сечению листа, так и вдоль него. Также применение отпуска

снимает остаточные напряжения в трубной стали, что важно для коррозионной стойкости металла.

Микроструктура низколегированной стали после отпуска (рис. 4) однородна по сечению, состоит из феррита и карбидов, выделившихся по границам фер-ритных зерен. В центре листа также наблюдаются слабовыраженная полосчатость и крупные включения карбонитридов ниобия и титана, что также подтверждается электронной микроскопией (рис. 5). То есть отпуск стали, повышая однородность микроструктуры, не устраняет полосчатость и крупные карбонит-ридные включения, оставшиеся после горячей прокатки, которые могут стать причиной зарождения трещин и расслоений металла в процессе дальнейшей эксплуатации.

Рис. 5. Включения в горячекатаной низколегированной стали после отпуска

Выводы

1. Литая структура низкоуглеродистой низколегированной стали по сечению сляба состоит из корковой зоны, зоны столбчатых кристаллов и зоны равноосных кристаллов. Зона столбчатых кристаллов представлена вытянутыми дендритами, по границам которых находятся крупные ферритные зерна, внутри дендритов наблюдается видманштеттов феррит с небольшой долей перлита. В зоне равноосных кристаллов сляба наблюдаются участки закалочных структур - бейнита, малоуглеродистого мартенсита, появление которых объясняется наличием ликваций легирующих элементов в стали.

2. Микроструктура горячекатаной низкоуглеродистой низколегированной стали по всей ширине листа состоит из полигонального феррита и перлита. В центральной зоне поперечного сечения листа наблюдается полосчатость, содержащая перлит, и закалочные структуры, а также крупные включения карбонитри-

дов ниобия и титана, что также объясняется ликваци-онными явлениями.

3. Отпуск не приводит к существенному изменения структуры горячекатаной структура низколегированной стали. В центре листа наблюдаются слабовы-раженные полосчатость и крупные карбонитридные включения, оставшиеся после горячей прокатки.

Список литературы

1. Особенности изменения структуры по сечению листового проката из высокопрочных штрипсовых сталей / Ковалев А.И., Вайнштейн Д.Л., Рашковский А.Ю., Хлусова Е.И., Орлов В.В. // Металлург. 2011. №1. С. 61-68.

2. Салганик В.М., Денисов C.B. Разработка и освоение технологии производства рулонного проката классов прочности Х60-Х70 толщиной более 12 мм для изготовления труб // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2008. №1. С. 81-84.

3. Денисов C.B., Завалищин А.Н., Кожевникова Е.В. Исследование карбидов в стали К60 для труб магистральных трубопроводов // Труды восьмого конгресса прокатчиков, Магнитогорск, 11-15 октября 2010 г. Магнитогорск, 2010. Т.2. С. 539-542.

Сведения об авторах

Денисов Сергей Владимирович - д-р техн. наук, начальник ЦЛК ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Тел.: 8(3519) 247-902.

Завалищин Александр Николаевич - д-р техн. наук, проф. кафедры материаловедения и термической обработки металлов ФГБОУ «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 298-567. E-mail: zaval1313@mail.ru.

Кожевникова Елена Васильевна - аспирантка кафедры материаловедения и термической обработки металлов ФГБОУ «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8 (3519) 246-511. E-mail: ausferr_elena@bk.ru.

Румянцев Михаил Игоревич - канд. техн. наук, проф. кафедры обработки металлов давлением ФГБОУ «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519) 298-566. E-mail: mihigrum@rambler.ru.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

CHANGE OF MICROALLOYED STEEL MICROSTRUCTURE IN MANUFACTURING PROCESSING

Denisov Sergey Vladimirovich - D.Sc. (Eng.), Director of the central laboratory of Magnitogorsk Iron & Steel Works, Magnitogorsk. Phone: 8 (3519) 247-902.

Zavalishchin Aleksandr Nikolaevich - D.Sc. (Eng.), professor, Materials and Heat Treatment of Metals department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8 (3519) 298-567. E-mail: zaval1313@mail.ru.

Koghevnicova Elena Vasilievna - a postgraduate student, Materials and Heat Treatment of Metals department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8 (3519) 246-511, (3519) 209-022. E-mail: ausferr_elena@bk.ru.

Rumyantsev Mihail Igorevich - Ph.D. (Eng.), professor, Metal Forming department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: (3519) 298-566. E-mail: mihigrum@rambler.ru.

Abstract. Change of microstructure of microalloyed low-carbon steels in different manufacturing processes was studied. It is shown, that liquation plays an important role in phase and structural component distribution in the final structure of hot-rolled products. Subsequent heat treatment facilitates to improve the uniformity of the structure and enhance steel mechanical properties.

Keywords: microalloyed steels, microstructure, concast billet, controlled rolling, heat treatment.

References

1. Kovalev A.I., Vainshtein D.I., Rashkovsky A.Yu., Khlusova E.I., Orlov V.V. Osobennosti izmeneniya struktury po secheniyu listovogo prokata iz

vysokoprochnykh shtripsovykh stalej [Features of structure changes along •-

section of sheet rolled product from high-strength strip steels]. Metallurg. 2011, no. 1. pp. 61-68.

2. Salganik V.M., Denisov S.V. Razrabotka i osvoenie tekhnologii proizvodstva rulonnogo prokata klassov prochnosti KH60-KH70 tolshhinoj bolee 12 mm dlya izgotovleniya trub [The development and implementation of technology for the production of coil stock units with X60-X70 strength and more than 12 mm thick for pipes producing]. Vestnik Mag-nitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. No-sova. [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2008, no. 1, pp. 81-84.

3. Denisov S.V., Zavalishchin A.N., Koghevnikova E.V. Issledovanie karbidov v stali K60 dlya trub magistral'nykh truboprovodov [The research of carbides in the high-strength steel K60 for pipelines]. Proceeding of the Eighth Congress of Rollers. Magnitogorsk, 2010, vol. 2, pp. 539-542.