СОДЕРЖАНИЕ
№ п.п. Наименование раздела стр.
I 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Структурно-фазовые изменения при упрочнении арматуры и валков 11
1.1 Упрочнение арматурного проката: проблемы и перспективы 11
1.2 Формирование градиентных структурно-фазовых состояний при внешних энергетических воздействиях 19
1.3 Структурно-масштабные уровни формоизменения и пластической деформации 21
1.4 Поверхностное упрочнение калибров прокатных валков 25
1.4.1 Физико-технологические основы тепловых процессов при воздействии концентрированных потоков энергии 25
1.4.2 Технологии плазменного поверхностного упрочнения валков 30
1.4.3 Технологические особенности поверхностного упрочнения сортопрокатных валков 36
1.5 Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования 38
2 Материал исследования, методы обработки и методики анализа 40
2.1 Материал и параметры плазменной обработки валков 40
2.2 Материал стержневой арматуры 40
2.3 Методики исследования 40
2.3.1 Механические испытания 40
2.3.2 Оптическая микроскопия 41
2.3.3 Сканирующая электронная микроскопия 41
2.3.4 Дифракционная электронная микроскопия тонких фольг 43
2.3.4.1 Метод препарирования образцов 43
2.3.4.2 Методики анализа фазового состава и дефектной субструктуры 44
Продолжение таблицы
1 2 3
3 Разработка технологии упрочнения чугунных валков и стальной арматуры 50
3.1 Оборудование и технология плазменной обработки 50
3.2 Исследование структуры и свойств валкового чугуна 52
3.2.1 Состояние литого чугуна 52
3.2.2 Состояние чугуна после плазменной обработки 54
3.3 Промышленные испытания валков чистовых клетей стана 450 59
3.4 Термическое упрочнение арматуры диаметром 50 мм 61
3.4.1 Оборудование для ведения процесса упрочнения 61
3.4.2 Разработка режимов термического упрочнения 63
3.4.3 Металлографические исследования 64
3.5 Выводы 65
4 Структурно-фазовое состояние поверхности валков из чугуна СШХНФ после плазменной закалки и эксплуатации 67
4.1 Макромасштабный уровень эволюции структуры 67
4.1.1 Сгруктура валка после плазменной обработки 67
4.1.2 Сіруюура упрочненного валка после эксплуатации на прокатном стане 72
4.2 Мезомасштабный уровень эволюции структуры 77
4.2.1 Фрактография поверхности разрушения упрочненного валка 77
4.2.2 Фрактография поверхности разрушения после эксплуатации 81
4.3 Микромасштабный уровень эволюции структуры 84
4.3.1 Структура чугунного валка после плазменной обработки 85
4.3.1.1 Фазовый состав валкового чугуна 85
4.3.1.2 Морфология фаз 85
4.3.1.3 Кривизна-кручение кристаллической решетки и дапьнодейст- 95
вующие поля напряжений после плазменной обработки
4.3.1.4 Градиент структурно-фазового состава, формирующийся при плазменном упрочнении поверхности 103
4.3.2 Структура упрочненного чугунного валка после отработки на стане 107
4.3.2.1 Фазовый состав и дефектная субструктура чугуна 107
3
Продолжение таблицы
1 2 3
4.3.2.2 Кривизна-кручение кристаллической решетки и дальнодейст-вующие поля напряжений после эксплуатации 113
43.2.3 Градиент структурно-фазового состава чугуна после отработки валка на стане 119
4.4 Ыаномасштабный (атомарный) уровень эволюции структуры валков 120
4.4.1 Распределение элементов в структуре упрочненного чугуна 120
4.4.2 Структура чугуна после отработки валка на стане 123
4.5 Выводы 128
5 Закономерности структуро- и фазообразовання при термическом упрочнении арматуры из стали 18Г2С 130
5.1 Макромасштабный уровень организации структурно-фазового состава 130
5.1.1. Анализ профиля микротвсрдости прутка 130
5.1.2. Анализ поверхности поперечного шлифа 132
5.1.3. Фрактография поверхности разрушения 133
5.2. Мезомасштабный уровень организации структурно-фазового состава арматурного прутка 138
5.2.1. Зеренная структура стали 18Г2С 138
5.2.2. Фрактография поверхности разрушения стержня 139
5.3. Микромасштабный уровень организации структурно-фазового состава арматуры 143
5.4 Градиент структуры, формирующейся при термическом упрочнении арматуры 148
5.4.1 Фазовый состав и субструкгура поверхностного слоя (0,0-4,0 мм от поверхности прутка) 148
5.4.2 Структура слоев на расстоянии -4,2-6,5 мм от поверхности прутка 153
5.5 Структура осевой зоны прутка 157
5.6 Выводы 162
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 164
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 166
АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 182
4
ВВЕДЕНИЕ
Стабильная и эффективная работа металлургического производства невозможно без использования новых технических решений на базе ресурсосберегающих технологий. Одним из направлений увеличения прочности стального проката является термическое упрочнение в линии сортовых станов, не требующее широкого привлечения дорогостоящих легирующих материалов.
Западно-Сибирский металлургический комбинат выпускает широкий, по назначению, марочному составу и служебным свойствам, сортамент стержневой арматуры (далее: стержень, пруток, арматура). Л в последние два года освоена технология термического упрочнения на класс прочности А500С (ат не менее 500 МПа) стержневой арматуры номинальным диаметром 50 мм. Для реализации в линии среднесортного стана 450 технологии упрочнения по режиму прерванной закалки разработана и изготовлена установка термического упрочнения (УТУ).
Разработка технологий термического упрочнения, обеспечивающих получение требуемого комплекса прочностных и пластических свойств, требует понимания природы структурных процессов, протекающих в сталях при деформационных и температурных воздействий. Выяснение физических механизмов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний в сталях является одной из важных задач современной физики конденсированного состояния, поскольку лежит в основе разработки и создания эффективных способов повышения служебных характеристик сталей.
К числу важнейших проблем относится стойкость прокатных валков. В последнее время для упрочнения их поверхности применяют технологии на основе концентрированных источников энергии (электроннолучевые, лазерные и т. д.), заключающиеся в воздействии на малую площадь мощных энергетических потоков высокой плотности. Процесс упрочнения заключается в высокотемпературном нагреве плазменным потоком участка поверхности
5
(анодное пятно) и его интенсивном охлаждении со скоростями, обеспечивающими закалочные структуры. При этом стойкость валков может возрастать на -60%.
Решение указанных выше практических задач невозможно понимания природы процессов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний в сталях и сплавах в условиях энергетических и деформационных воздействий. Изучение проблемы структурно-фазовых изменений при внешних воздействиях необходимо и для развития теории и практики металловедения и термической обработки.
Актуальность. Разработка и внедрение новых ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих повышение производительности труда и качественных показателей продукции, во многом определяют эффективное развитие отраслей промышленности.
В настоящее время при производстве строительной арматуры в металлургической промышленности активно применяются технологии принудительного охлаждения раскатов в линии сортовых станов, обеспечивающие значительное повышение прочностных свойств без использования дорогостоящих легирующих добавок.
Не менее важной проблемой, в значительной степени определяющей показатели работы станов, является повышение стойкости чугунных валков для прокатки арматуры. Одним из направлений ее решения является плазменная закалка рабочей поверхности калибров валков.
Целенаправленное управление эксплуатационными свойствами сталей и сплавов, разработка оптимальных режимов их упрочнения должны базироваться на знании процессов структурообразования при различных технологических воздействиях. Для решения вышеуказанных технологических задач необходимо исследование физической природы и закономерностей формирования и эволюции структурно-фазовых состояний на различных масштабных уровнях в арматурных стержнях из низколегированных сталей при прерывистой закалке с
6
температуры конца прокатки и в литых чугунных валках в процессе плазменного упрочнения и последующей эксплуатации.
Работа выполнялась в соответствии с фантами Министерства образования и науки РФ по фундаментальным проблемам металлургии (2004-2006 г.г.), темами ГОУ ВПО “Сибирский государственный индустриальный университет” и “Томский государственный архитектурно-строительный университет”.
Комплекс выполненных в рамках данной работы исследований по разработке и внедрению технолоши термического упрочнения строительной арматуры в условиях ОАО “Западно-Сибирский металлургический комбинат” удостоен премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 2006 год.
Цель работы: установление физической природы и закономерностей формирования и эволюции на различных масштабных уровнях структурнофазовых состояний и механических свойств термически упрочненной стальной арматуры большого диаметра и чугунных валков после плазменной обработки и эксплуатации.
Для достижения цели в ходе работы решались следующие задачи:
1 Исследование на различных масштабных уровнях формирования фазового состава, дефектной субструктуры, поверхности разрушения и механических свойств арматуры из стали 18Г2С диаметром 50 мм, упрочненной по режиму прерванной закалки в потоке сортового стана.
2 Установление механизмов формирования градиентных структурнофазовых состояний в стальной арматуре большого диаметра при термическом упрочнении.
3 Установление закономерностей формирования дефектной субструктуры, элементного и фазового состава в условиях плазменного упрочнения валков из чугуна марки СШХНФ.
4 Анализ эволюции дефектной субструктуры, элементного и фазового состава и поверхности разрушения чугунных плазменноупрочненных валков
7
на различных масштабных уровнях при прокатке термически упроченной арматуры.
5 Анализ формирования и эволюция дальнодействующих полей напряжений в процессе плазменного упрочнения чугунных прокатных валков и последующей их эксплуатации.
Научная новизна: впервые на макро,- мезо,- микро- и наноструктурном уровнях проведены сравнительные качественные и количественные исследования фазового и элементного состава, дефектной субструктуры валков из чугуна марки СШХНФ после плазменного упрочнения и эксплуатации на прокатном стане и арматуры диаметра 50 мм из стали 18Г2С после термического упрочнения по схеме прерванной закалки. Проведен фрактографиче-ский анализ поверхностей разрушения, выявлены механизмы, влияющие на служебные характеристики валков и арматуры.
Практическая значимость работы, подтвержденная актами внедрения ее результатов в промышленности, заключается в существенном увеличении служебных характеристик плазменноупрочненных прокатных валков и арматуры диаметром 50 мм, термически упрочненной по режиму прерванной закалки.
Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, применением апробированных методик и методов современного физического материаловедения, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Положения, выносимые на защиту:
1 Масштабные уровни эволюции структурно-фазового состояния и дефектной субструктуры арматуры диаметром 50 мм из стали 18Г2С, формирующиеся в процессе термического упрочнения в линии прокатки.
2 Закономерности организации фазового состава, дефектной субструктуры и механических свойств термически упрочненной арматуры.
8
3 Масштабные уровни эволюции структуры, фазового состава и дефектной субструктуры на поверхности валков из чугуна марки СШХНФ после плазменного упрочнения и эксплуатации на прокатном стане.
4 Закономерности изменения элементного и фазового состава, дефектной субструктуры в упрочненной поверхности чугунных валков.
5 Закономерности формирования дальнодействующих полей напряжений в чугунных валках после плазменной обработки и эксплуатации.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, выполнении металлографических, электронно-микроскопических и других исследований и механических испытаний термически упрочненной арматуры и плазменно-упрочненных валков, статистической обработке и анализе полученных результатов, внедрении технологий в производство.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: Бернштей-новских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов”, Москва, 2001, 2006; Межгосударственной научно-технической конференции “Современная металлургия начала нового тысячелетия”, Липецк, 2001; XIV, XV Международных научных конференциях “Строительство, материаловедение, машиностроение (Стародубовские чтения)”, Днепропетровск, 2004, 2005; XVI, XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности, С.-Петербург, 2005, 2007; Всероссийской научно-практической конференции “Металлургия, новые технологии, управление, инновации и качество”, Новокузнецк, 2005; III Российской научно-технической конференции “Физические свойства металлов и сплавов”, Екатеринбург, 2005; 44 Международной конференции “Актуальные проблемы прочности”, Вологда, 2005; XVIII Уральской школе металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического материаловедения сталей и сплавов", Тольятти, 2006; III Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, 2006; Всероссийской конферен-
9
ции "Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций", Новосибирск, 2006; 45 международной конференции "Актуальные проблемы прочности", Белгород, 2006; III Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения", Томск, 2006; IV Международной конференции "Фазовые превращения и прочность кристаллов", Черноголовка, 2006.
Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, по ее результатам получено 11 патентов. Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, приведен в конце автореферата.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, цитируемой литературы из 160 наименований, содержит 182 страницы машинописного текста, в том числе 110 рисунков и 25 таблиц.
10
1 Структурно-фазовые изменения при упрочнении ар.маїурьі и валков
1.1 Упрочнение арматурного проката: проблемы и перспективы
Первые промышленные технологии упрочнения арматурных стержней были реализованы на электротермических установках (рис. 1.1). При упроч-
Рисунок 1.1 - Схема установки для электротермическою упрочнения стержневой арматуры
нении по технологической схеме нагрев со скоростью 5-15 град/с до температур 880-920°С-»закалка с этих температур в воду->отпуск при 360-380°С для арматуры из сталей марок Ст5сп и Ст5пс удалось получить механические свойства на уровне класса Ат-1 У и по технологической схеме нагрев со скоростью 5-15 град/с до температур 950-1000°С->закалка с этих температур в воду-»отлуск при 40(М50°С для арматуры из стали 35ГС - на уровне классов АтУ и АтУІ. Установки электротермического упрочнения выполняли весь цикл термической обработки и позволяли исключить коробление стержней, что достаточно сложно при закалке длинномерных изделий [1].
В 60-е годы прошлого века были начаты научные исследования и технологические разработки по созданию нетрадиционных энергосберегающих процессов упрочнения массовых видов проката из углеродистых и низколегированных сталей с использованием тепла прокатного нагрева [2]. Упрочнение проката в потоке стана характеризуется специфическими условиями:
И
кратковременность протекания процесса, переменная скорость обработки, ограниченность в пространстве, отсутствие продольной жесткости стержней, нестабильность параметров и так далее. Поэтому разработке способа термического упрочнения раскатов с температуры конца прокатки предшествовало создание научно-технических и технологических основ. Были найдены оптимальные решения конкретных производственных задач, организовано промышленное производство и применение термически упрочненной арматуры. В результате изучения закономерностей гидродинамических и теплофизических процессов разработаны устройства, позволяющие охлаждать со скоростью 150-400 град/с движущиеся стержни высокоскоростным потоком воды (до 40 м/с и более), подаваемой под давлением 0,8 МПа [3].
Сравнение качественных показателей и экономических затрат производства проката по различным технологиям показало, что альтернативы способу термического упрочнения арматуры для армирования железобетона в настоящее время нет - любое другое решение требует значительного увеличения расхода легирующих элементов или других материальных ресурсов.
Внедрение термического упрочнения при производстве арматуры класса А-Ш (А400С) позволило заменить легированную марку стали 25Г2С на углеродистую Ст5пс. Авторами работы [4] была разработана технология производства свариваемой термически упрочненной арматуры классов Ат400С и Ат440С из стали Ст4кп. В работе [6] рассмотрен технологический процесс, обеспечивающий более высокий уровень упрочнения проката (ат > 500 МПа) за счет охлаждения раскатов турбулентными потоками воды по схеме прерывистой закалки. Исследования закономерностей изменения структуры и свойств сварных соединений в зависимости от химического состава и прочности показали, что на арматуре диаметром 8—14 мм термическим упрочнением класс Ат400С может быть получен при содержании углерода 0,18-0,25%, а класс Ат440С - 0,26-0,28%.
12
Производство термически упрочненной свариваемой арматуры из стали Ст4кп по сравнению со сталями Ст5пс и Ст5сп экономически более эффективно, так как сокращается расход марганца и кремния.
В 1994 на мелкосортных станах 250 Западно-Сибирского металлургического комбината началось промышленное освоение технологии термического упрочнения на класс А400С арматуры диаметром от 10-25 мм из стали СтЗпс [6]. Трасса термического упрочнения (ТТУ) представляла собой набор автономных секций, работу которых можно сочетать в различных комбинациях (рис. 1.2). Расчет охлаждающих устройств ТТУ проводился по методике [7]. Подачу охлаждающей воды под давлением до 2,6 МПа обеспечивали насосами высокого давления производительностью 900 м3/ч. Для получения стабильных значений механических свойств сузили пределы содержания углерода в стали СтЗпс по сравнению с требованиями ГОСТ 380.
Клеть 17
С1 С2 СЗ СМ С5 Сб С** С8 С9 СЮ |—1Г—1Г—
зоио 1 — В ЭГТЦ- ,6000 6000
40 «00
*70500
Клеть К
£ С1 С2 СЗ
3000 7^ ,6000 6000 ■в
2 е о
29550
4! 5«0
Рисунок 1.2 - Схема трассы термического упрочнения арматуры стана 250-2: С - охлаждающая секция; а и б - левая и правая линии стана
Стремление унифицировать требования отечественных и зарубежных стандартов к массовым видам свариваемой арматуры привело к использованию для производства классов прочности А400С и А500С из сталей с содержанием углерода не более 0,22%. Совместно с научно-исследовательским институтом железобетона (НИИЖБ) были разработаны технические условия ТУ 14-1-5254-94 "Прокат периодического профиля с серповидными поперечными ребрами для армирования железобетонных конструкций". При этом, для ири-
13
ведение в соответствие с требованиями зарубежных стандартов D1N 488 (Германия), BS 4449 (Великобритания), GIS 3112 (Япония) и ASTM А706М (США) были установлены значения предела текучести для класса А400С не менее 440 МПа и класса А500С не менее 520 МПа [8].
Использование СтЗсп, СтЗпс и СтЗГпс вместо легированных сталей 25Г2С и 35ГС позволило получать значительную экономию [6].
На Молдавском металлургическом заводе (ММЗ) по проекту фирмы SKET (Германия) установлена линия термического упрочнения арматурных стержней "Термекс" (рис. 1.3) в технологическом потоке мелкосортного стана
Н53
Рисунок 1.3 - Схема участка термического упрочнения стержневой арматуры: Кл. 20 -клеть; Н53 - ножницы; ТА41 - 'ГЛ45 - трайб-ап параты; С1 С19 - секции охлаждения; ЦР71-ЦР-74 - секции центрального охлаждения; t2o и tco - датчики температуры металла у 20-й клети и самоотпуска; X - холодильник
на 320 [9]. Технология упрочнения предусматривает прерывистую закалку с самоотпуском и заключается в интенсивном охлаждении раскатов, нарезанных ножницах на мерные длины. Линия “Термекс” состоит из 19 секций охлаждения прямоточного типа и пяти пар тянущих роликов (трайб-аппаратов). В качестве охладителя используется вода давлением до 2,5—3,0 МПа, поступающая из системы оборотного цикла.
В период освоения проектного оборудования разрабатывали эффективные режимы термического упрочнения арматурного проката периодического
14
профиля и принципы управления технологическим процессом. Основным управляющим параметром технологии традиционно считается изменение расхода воды при постоянном времени охлаждения металла в потоке стана для получения требуемого класса прочности на стержнях заданного профи-леразмера и марки стали. Однако на ММЗ не была предусмотрена установка расходомеров воды [9,10], поэтому управление процессом термического упрочнения изменением ее давления было затруднительно и неэффективно. В таких условиях основным управляющим параметром становится скоростной режим прокатки, а точнее время транспортирования (ускоренного охлаждения) прутков в линии упрочнения, что менее эффективно.
С целью расширения сортамента термически упрочненной стержневой арматуры, обеспечивающей повышенную прочность, надежность и уменьшение массы железобетонных конструкций, на Макеевском металлургическом комбинате (ММК) опробовали ряд технологических процессов и выпустили промышленные партии стержней периодического профиля диаметром 32 мм классов прочности Ат-ШС, Ат-1УС, Ат-У, Ат-УК, Ат-У1 и опытную партию арматуры класса Ат-VII по ГОСТ 10884. Исследовались различные марки сталей.
Термическое упрочнение арматуры на установке интенсивного охлаждения водой высокого давления, схема расположения которой в линии стана 350-2 приведена на рисунке 1.4 [11], путем прерывистого интенсивного ох-
* / ! 7 1
Рисунок 1.4 - Схема установки для термического упрочнения арматуры: 1,2- секции интенсивного охлаждения; 3 - барабанные ножницы; 4 - направляющая стрелка; 5 -пилы горячей резки; 6 - ванны с водой; 7 - сборный карман; 8 - арматурный стержень; X - холодильник для арматуры; С склад для арматуры
15
лаждения водой высокого давления в закрытых камерах охлаждения 1 и 2 с одновременным гидротранспортированием и последующим самоотпуском на холодильнике стана. Готовые раскаты резали на мерные длины ножницами холодной резки. Интенсивное прерывистое охлаждение в линии прокатки стана 350-2 и самоотпуск на холодильнике позволяет получать арматуру диаметром 32 мм на уровне классов прочности Ат-ШС из стали Ст5сп и Ат-1УС из стали 35ГС в соответствии с требованиями ГОСТ 10884 [12].
Термическое упрочнение стержней в ваннах с водой проводили путем прерывистой закалки с последующим самоотпуском на воздухе в сборном кармане установки термического упрочнения. В зависимости от времени интенсивного прерывистого охлаждения в ваннах с водой и температуры последующего самоотпуска на воздухе получали арматуру класса Ат-У из сталей 35ГС и 25С2Р, класса Ат-У1 из сталей 35ГС, 25С2Р и 20ГС с повышенным содержанием углерода, класса Ат-Ш из стали 20ГС с повышенным содержанием углерода, что полностью соответствовало требованиям ГОСТ 10884 [13]. Проводили электронагрев до 400—450°С термически упрочненных арматурных стержней, применяемый на практике при изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций. У арматуры класса прочности Ат-УН из стали 20ГС с повышенным содержанием углерода это приводило к уменьшению показателей прочности и улучшению пластичности. Для арматуры из сталей этого класса рекомендовано применять механическое преднапряжение при использовании в строительных конструкциях. Из арматуры классов Ат-У и Ат-У1 наименее чувствительна к электронагреву оказалась сталь 25С2Р [14].
Нагрев арматуры из стали 35ГС класса прочности Ат-У1 токами высокой частоты до 800°С сопровождается высоким отпуском поверхности и создает остаточные сжимающие напряжения, которые способствуют лучшей коррозионной стойкости и большему сопротивлению усталости [15]. При этом снижается прочность, повышается пластичность и уменьшается вели-
16