СПОСОБ ОБРАБОТКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
LOW-CARBON STEEL TREATMENT METHOD

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению низкоуглеродистых сталей с заданными свойствами, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для изготовления крепежных деталей, таких как болты, шпильки, проволоки, ответственных элементов строительных конструкций.
Низколегированные и низкоуглеродистые стали, как наиболее дешевые, производят в больших масштабах, в связи с чем актуальной остается проблема получения указанных сталей с заданным комплексом свойств. В основном эти стали используют в горячекатаном состоянии. Как правило, они имеют феррито-перлитную структуру и недостаточную прочность.
Для получения материалов с хорошим соотношением механической прочности и пластичности используют метод равноканального углового прессования (РКУ-прессования), позволяющий достигать больших степеней деформации, приводящих к измельчению зерна без изменения сечения и формы заготовки.
Известен способ обработки стали, включающий РКУ-прессование заготовки из нержавеющей стали через два канала, пересекающихся под углом 90°, при повышенных температурах (порядка 450-500°С) при высоких давлениях, порядка 500-1000 МПа (РФ 2400321, опубл. 27.09.2010).
Способ позволяет улучшить механические свойства изделий из труднодеформируемых металлов, а также уменьшить их окисление при повышенных температурах РКУ-прессования.
Однако в низкоуглеродистых низколегированных сталях указанным способом не удается создать полностью зеренную структуру, что приводит к нестабильности механических свойств стали.
Известен способ обработки низкоуглеродистых сталей при холодном РКУ-прессовании с углом пересечения каналов 90° (Kim J., Kim I., Shin D.H. Development of deformation structures in low carbon steel by equal channel augular pressing // Scripta mater, 2001, V.45, p.421-426).
Указанным методом удается выполнить только 2-3 цикла деформации без разрушения заготовки, что недостаточно для получения развитой однородной зеренной структуры, а следовательно получения оптимального сочетания прочности и пластичности, стабильности физико-механических свойств.
Задачей изобретения является получение высокопрочной низкоуглеродистой, в том числе и низколегированной стали, с повышенной термической стабильностью.
Техническим результатом изобретения является получение у низкоуглеродистых низколегированных сталей оптимального сочетания прочности и пластичности и повышение стабильности механических свойств.
с
Технический результат достигается тем, что в способе обработки низкоулеродистой стали, включающем РКУ-прессования при пересечении каналов под углом 90°, РКУ-прессованию подвергают низкоуглеродистую сталь с бейнитной структурой, РКУ-прессование проводят при температуре 300-400°С по маршруту В с истинной степенью деформации 2-4, после чего проводят отжиг при 400-600°С в течение времени, необходимого для получения зеренной структуры.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Исходная бейнитная структура, полученная закалкой низкоуглеродистой стали с высоких температур аустенитизации, имеет равномерное распределение дисперсных карбидов, высокую дисперсность продуктов превращения и плотность дислокации, вследствие чего обладает достаточно высокой механической прочностью.
c
Проведение РКУ-прессования заготовки из низкоуглеродистой стали с бейнитной структурой по маршруту B (с постоянным поворотом вокруг оси в одну сторону под угол 90°) при температуре 300-400°С с истинной степенью деформации 2-4 приводит к значительному изменению структурных элементов, преобразованию малоугловых границ зерен в большеугловые, к формированию частично субмикрокристаллической структуры.
Снижение температуры РКУ-прессования ниже 300°С не позволяет провести деформацию с истинной степенью 2-4 из-за разрушения заготовок.
Проведение РКУ-прессования выше 400°С приводит к формированию неоднородной зеренно-субзеренной структуры, которая обуславливает высокую прочность, но низкую ударную вязкость и неоднородность свойств по сечению материала.
Оптимальными значениями истинной степени деформации для низкоуглеродистых сталей с бейнитной структурой при РКУ-прессовании являются 2-4. Уменьшение истинной степени деформации при РКУ-прессовании ниже 2 не позволяет получить частично субмикрокристаллическую структуру с размером зерен около 200 нм и приводит к снижению прочности и стабильности механических свойств за счет образования преимущественно ячеистой структуры. Повышение истинной степени деформации выше 4 приводит к разрушению заготовок из низкоуглеродистой стали с бейнитной структурой.
Нагрев заготовки из низкоуглеродистой стали после РКУ-прессования до температуры 400-600°С обеспечивает получение однородной зеренной структуры, которая придает объемным материалам сочетание высокой прочности, пластичности и стабильности механических свойств.
Увеличение температуры нагрева выше 600°С приводит к увеличению размера зерна и снижению прочности. При нагреве ниже 400°С для структуры характерна зеренно-субзеренная неоднородность, что приводит к дестабилизации свойств в объеме материала.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
c
Низкоуглеродистую сталь Ст.10 с бейнитной струтурой, полученной закалкой с 920°С в воду, с размером зерна 14 мкм подвергали РКУ-прессованию при пересечении каналов под углом 90° по маршруту B при температуре 300°С с истинной степенью деформации 2,3.
Нагрев после РКУ-прессования осуществляли при 500°С с выдержкой 30 мин и охлаждением в воде.
в
0,2
Средний размер зерна стали после обработки составил 200 нм, предел прочности σ=800 МПа, предел текучести σ=785 МПа, относительное удлинение δ=13%. Структура однородная, что обеспечивает стабильность свойств материала.
Пример 2.
c
Низкоуглеродистую сталь 08Р с бейнитной структурой с размером зерна 13 мкм, полученной закалкой с 920°С в воду, подвергали РКУ-прессованию при пересечении каналов под углом 90° по маршруту B при температуре 350°С. Число циклов деформации составило 3 (≈3,4). Нагрев после РКУ-прессования осуществляли при температуре 450°С в течение 30 мин с охлаждением в воду.
в
0,2
Средний размер зерна стали после РКУ-прессования и нагрева составляет 450 нм. Дисперсная и однородная структура стали обуславливает высокие прочностные свойства: предел прочности σ=910 МПа, предел текучести σ=840 МПа; и пластичность относительное удлинение δ=7-11%.
Пример 3.
с
Низкоуглеродистую сталь 10Г2ФТ со структурой бейнита, полученной нагревом при 925°С в течение 30 мин и охлаждением в воде, подвергали РКУ-прессованию при пересечении каналов под углом 90° по маршруту B при температуре 400°С и истинной степенью деформации 3,2. Затем образцы нагревали до температуры 600°С и выдерживали при этой температуре 10 мин.
в
0,2
После обработки сталь имела однородную субмикрокристаллическую структуру со средним размером зерна ~300 нм. Предел прочности σ=1020 МПа, предел текучести σ=1000 МПа; относительное удлинение δ=18%.
Таким образом, предложенный способ обработки низкоуглеродистых сталей позволяет создать в них ультрамелкозернистую однородную структуру со стабильными свойствами, прочностные характеристики сталей повышаются по сравнению с нормализованным состоянием более чем в 2 раза при достаточно высоком уровне пластичности.