Технические науки-1

Дробот А. В., Белоярцева В.П.

Днепропетровский национальный университет им. О.Гончара

Разработка режима термической обработки для измельчения крупного зерна аустенита и исправления нафталинистого излома в крупногабаритных полуфабрикатах из стали СП28.

Изготовление крупногабаритных полуфабрикатов стали СП28 из слитков электрошлакового переплава (ЭШП), вакуумно-дугового переплава (ВДП) и двойного вакуумно-дугового переплава (ВДП + ВДП ) привело к участившимся случаям забракования их по величине зерна аустенита и из-за нафталинистого излома. Это объясняется повышенной чистотой от неметаллических включений металла ЭШП, ВДП и ВДП+ВДП по сравнению с металлом ОДВ (открытой дуговой выплавки). Сталь СП28 склонна к значительному росту зерна аустенита при нагреве начиная от температуры 1050^оС.

Следовательно, при нагреве слитков ЭШП, ВДП и ВДП+ВДП стали СП28 под горячую деформацию (до 1220^оС) происходит значительный рост зерна аустенита.

Режим термической обработки, рекомендованный ТУ14-1-1443-85, а также специальный режим [1], разработанный для измельчения зерна аустенита в сварных соединениях из стали СП28, не обеспечили измельчение зерна аустенита в крупногабаритных полуфабрикатах.

С целью получения крупного зерна аустенита пруток предварительно обрабатывали по режиму: нагрев до 1280^оС, выдержка 5 часов, охлаждение с печью. Исследовали влияние перегрева на качество стали. В перегретом состоянии металл имеет выраженный нафталинистый излом и ударную вязкость: 0,25Мдж/м² (при +20^оС) и 0,09Мдж/м² (при -70^оС). Образцы из перегретого металла подвергали термической обработке по предложенному режиму [1]. После указанной термической обработки получен нафталинистый излом, ударная вязкость: 0,44Мдж/м² (при +20^оС) и 0,28Мдж/м² (при -70^оС).

Исходя из того ,что вышеуказанный режим не обеспечил измельчение зерна аустенита и исправления нафталинистого излома в крупногабаритных заготовках возникла необходимость исследования влияния скорости и температуры нагрева, предварительного отпуска на структурную наследственность стали СП28.

Cкорость нагрева до аустенитного состояния и температура нагрева являются важными факторами, влияющими на степень восстановления зерна аустенита [2, 3, 4, 5]. Решающее влияние оказывает скорость нагрева в межкритическом интервале Ас₁-Ас₃ [4, 6]. Температура нагрева влияет следующим образом. При нагреве с высокими или малыми скоростями до температур Ас₃+50^оС крупное зерно восстанавливается, но при нагреве с теми же скоростями до более высоких температур может произойти измельчение зерна [4].

Перекристаллизация с образованием мелких зерен ускоряется при повышении температуры [4].

Измельчение крупнокристаллической структуры осуществляется в 2 стадии: 1 стадия – фазовое α-γ – превращение при котором восстанавливается исходное крупное зерно; 2 стадия – рекристаллизация аустенита, приводящая к измельчению зерна. Причиной рекристаллизации аустенита в надкритической области (выше Ас₃) является фазовый наклеп, образующийся при прямом γ→α_МБ и обратном α_МБ→ γ – превращениях [2, 4].

Первая серия экспериментов состояла в изучении влияния на процесс восстановления крупного зерна аустенита двух скоростей нагрева – 4^оС/мин и 10^оС/мин, а также следующих температур нагрева: 900, 950, 1000, 1050, 1100^оС.

Выбор скоростей нагрева обоснован следующими соображениями: скорость нагрева 4^оС/мин – это скорость соответствующая обычному нагреву с печью; скорость нагрева 10^оС/мин – это скорость, которая может быть практически достигнута, соответствующим размером садки металла и загрузкой в нагретую до заданной температуры печь. Влияние температуры нагрева исследовали нагревом образцов до температур, превосходящих Ас₃ на 30, 80, 130, 180 и 230^оС.

После нагрева с печью со скоростью 4^оС/мин до температур 900, 950, 1000, 1050, 1100^оС и выдержки в течение 40 мин (2 минуты на 1мм сечения образца). Излом четко нафталинистый, сколы крупные, несмотря на фазовое

α-γ – превращение, перекристаллизация даже при нагреве выше Ас₃ на 30-230^оС не произошла. В микроструктуре при нагреве до 1000^оС изменений в размере зерна аустенита не произошло, зерно восстанавливается. Лишь после нагрева до 1050-1100^оС можно видеть миграцию зерен, которая, однако не получает заметного развития. Структура - крупноигольчатый мартенсит.

Нагрев со скоростью 10^оС/мин до температур 900, 950, 1000, 1050, 1100^оС и выдержка в течение 40 минут оказывает заметное воздействие на излом только начиная от температуры 1050^оС. После нагрева до этой температуры и выше со скоростью 10^оС/мин в изломе появляется мелкокристаллическая составляющая, хотя сохраняется значительное количество крупных фасеток. Сравнение изломов образцов І и ІІ партий выявляет влияние скорости нагрева на вид излома. При ускоренном нагреве происходит частичная перекристаллизация, чего нет при нагреве с печью. Заметное влияние скорости нагрева проявляется лишь при нагреве до 1050^оС, т.е. на 180^оС выше Ас₃.

По микроструктуре можно видеть, что начиная с 1050^оС и выше, происходит частичное измельчение зерна аустенита, но во многих участках зерно восстанавливается. Ускоренный нагрев со скоростью 10^оС/мин позволяет достичь значений ударной вязкости, требуемые техническими условиями ТУ 14-1-1443-85, закалкой от 1050^оС.

В условиях ускоренного нагрева согласно Н.Н. Липчину [7] зародыши аустенита также зарождаются на субзернах феррита и имеют вытянутую форму. При нагреве до температур Ас₃+130^оС зерно не измельчается, но при достижении температуры Ас₃+180^оС благодаря фазовому наклепу и ускоренному нагреву, происходит частичная рекристаллизация. Из полученных данных следует, что регулируя скорость нагрева и температуру закалки полуфабрикатов, имеющих крупнокристаллический излом, можно добиться частичного влияния на структурную наследственность, т.е. получения в изломе мелкокристаллической составляющей за счет частично прошедшего процесса рекристаллизации аустенита. Для получения мелкокристаллического излома необходимо введение предварительного отпуска полуфабрикатов с крупнокристаллическим изломом.

По вопросу влияния предварительного отпуска на процесс восстановления крупного зерна имеются противоречивые данные. В одних работах указывается, что нагрев отпущенной стали, независимо от его скорости, приводит к измельчению зерна [5]. В других показано, что нагрев с большой скоростью предварительно отпущенной стали обеспечивает измельчение зерна, а медленный нагрев может привести к полному восстановлению крупного исходного зерна [4, 7]. Поэтому исследовали структурную наследственность стали СП28.

Роль предварительного отпуска состоит в образовании микроструктуры со значительным количеством карбидов [7]. Межфазная граница карбид-феррит служит местом предпочтительного образования зародышей аустенита. Проведены опытные режимы отпуска: 600^оС, 650^оС, 700^оС, 750^оС и время выдержки в течение 1, 2, 4, 8 часов.

После вышеуказанных режимов отпуска образцы без промежуточного охлаждения нагревали со скоростью 10^оС/мин до температуры 1050^оС. Влияние отпуска оценивали по виду излома после полного цикла термообработки (отпуска и закалки от 1050^оС), а для объяснения полученных результатов исследовали микроструктуру образцов после опытных режимов отпуска.

По виду изломов получили мелкокристаллический излом после предварительного отпуска при 650^оС в течение 8 часов и при 700^оС-750^оС в течение 4 часов. Это подтверждается результатами исследования микроструктуры : после отпуска при 650^оС, 8 часов и 700^оС, 4 часа образуются крупные равномерно расположенные карбиды.

Для изучения влияния предварительного отпуска на структурную наследственность стали СП28 образцы перегретого металла подвергали отпуску при 700^оС, 4 часа, а затем нагреву со скоростью 4^оС/мин и 10^оС/мин. до температур 900, 950, 1000, 1050, 1100^оС с последующей закалкой на воздухе.

Исследования показали, что при нагреве до вышеуказанных температур со скоростью 4^оС/мин влияние предварительного отпуска на величину зерна аустенита сказывается незначительно. После закалки от температур 900, 950, 1000^оС излом – крупнокристаллический, зерно крупное, микроструктура – крупноигольчатый мартенсит, ударная вязкость – ниже значений, требуемых ТУ. После закалки от температур 1050^оС и 1100^оС в изломе появляется мелкокристаллическая составляющая, образуется разнозернистая структура, ударная вязкость достигает требуемых значений только после закалки от 1100^оС.

При нагреве со скоростью 10^оС/мин влияние предварительного отпуска сказывается в большей мере. После закалки от температур 900^оС и 950^оС в изломе появляется мелкокристаллическая составляющая, микроструктура – смешанная, крупные и мелкие иглы мартенсита, ударная вязкость достигает требуемых значений после закалки от 950^оС. После закалки от температуры 1000^оС и выше изломы становятся полностью мелкокристаллическими, зерно измельчается до 6-7 балла.

Таким образом, введение предварительного отпуска (700^оС, 4 часа) перегретой стали СП28 при условии ускоренного нагрева от температуры отпуска до температуры Ас₃+180^оС (1050^оС), выдержка и закалка, позволяет получить мелкокристаллический излом.

На основании полученных результатов исследования для производства рекомендован режим термической обработки, обеспечивающий исправление излома и измельчение зерна аустенита в крупногабаритных полуфабрикатах из стали СП28: отпуск при 700^оС, 4 часа, дальнейший нагрев (без охлаждения) со скоростью 10^оС/мин до температуры 1050^оС, выдержка и закалка.

Отпуск при 400^оС. Охлаждение на воздухе

Литература:

1.Шоршоров М.Х., Тавер Э.И. Влияние термообработки сварных соединений стали СП28 к хрупкому разрушению. – Сварочное производство, 1968, № 3, с 24-26.

2. Садовский В.Д., Малышев К.А., Сазонов Б.Г. Фазовые и структурные преврашения при нагреве стали. М. – Свердловск: Металлургиздат,

1954. – 184с.

3.Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. – М. : Металлургия, 1973, – 205с.

4. Садовский В.Д Структурная наследственность в стали. – М. : Металлургия, 1973, – 205с.

5.Гриднев В.Н. и др. Физические основы электротермического упрочнения стали. – Киев: Наукова думка, 1973. – 335с.

6. Садовский В.Д. Кинетика и структурный механизм фазовых превращений. – В сб.: Проблемы металловедения и термической обработки. – М. – Свердловск, 1956, с. 53-57.

7. Липчин Н.Н. Механизм возникновения и устранения структурной наследственности в стали. – В сб.: Структурные и фазовые превращения при нагреве стали и сплавов.