Целью работы являлась сравнительная оценка уровня механических свойств некоторых низколегированных сталей при различных особенностях технологии выплавки стали и ее десульфурации.
Эффект влияния ванадия и ниобия в стали проявляется в измельчении зерна и упрочнении дисперсными фазами. Ванадий и ниобий, растворенные в аустените, несколько повышают его устойчивость в перлитной области. При закалке в результате измельчения зерна мартенсит получается мелкоигольчатым и менее хрупким. Весьма эффективны в малоуглеродистой стали небольшие добавки бора, способствующие формированию в процессе закалки структур бейнито-мартенситного типа при более низких скоростях охлаждения. Следует отметить, что влияние бора возрастает при снижении содержания углерода.
Исследованные стали имели пониженное содержание серы, которое обеспечивалось либо в процессе выплавки в электропечи или рафинирования в ковше жидким синтетическим шлаком после выплавки в конвертере.
Выплавленную сталь прокатывали на полосу толщиной 9-10 мм. Часть проката изучали в горячекатаном состоянии, другую — после закалки и отпуска при следующих вариантах прокатки.
- Ниобийванадиевую сталь прокатывали по режиму: окончание прокатки при 820-860° С, охлаждение на рольганге до 600-630° С со скоростью ~10° С/с душированием с одной стороны, далее смотка в рулон и охлаждение рулона на стенде. Деформация в чистовых клетях составляла около 50 %.
- Ту же сталь подвергали термическому улучшению. Закалку и отпуск осуществляли при температурах 930 и 600° С соответственно. Выдержка при температуре закалки и отпуска составляла около 2 мин в каждом случае. После нагрева под закалку проводили одностороннее спрейерное охлаждение со скоростью 40-60° С/с в центральном сечении.
- Прокат из стали с бором и стали 17Г1С исследовали после закалки по указанной в п. 2 технологии и отпуске при температурах 550 и 640° С соответственно.
Структура горячекатаной и ускоренно охлажденной перед смоткой стали характеризуется мелкозернистой феррито-перлитной смесью с гораздо менее выраженными полосчатостью и разнозернистостью, свойственной обычной горячекатаной стали. Закалка ниобийванадиевой стали приводит к окончательному выравниванию структуры. Зерна феррита становятся равноосными. На стороне, противоположной охлаждаемой поверхности, в структуре закаленной стали имеется 15-20% равномерно распределенного бейнита. При отпуске формируется мелкозернистая ферритная структура с равномерно распределенными по телу и границам зерен карбидами.
При закалке стали с бором структура состоит из смеси феррита (60-70%) и бейнито-мартенситных составляющих (30-40%). В процессе отпуска бейнит образует равномерную феррито-карбидную смесь.
Односторонняя закалка стали 17Г1С обеспечивает наличие в ней 30-40% феррита и 60-70% мартенсито-бейнитной смеси с преобладанием мартенсита.
На охлаждаемой стороне сталь 171С имеет мартенситную структуру: сталь с бором — мартенсито-бейнитную структуру с соотношением 50 : 50, в структуре ниобийванадиевой стали имеет место соотношение 10 : 40 : 50 мартенсита, бейнита и феррита соответственно.
Таким образом, в прокате из рассматриваемых сталей наблюдают различные структуры по сечению от охлаждаемой поверхности полосы к противоположной, что сопровождается снижением твердости по НВ на 80—120 единиц для закаленной и на 30-60 единиц для отпущенной стали. С увеличением содержания углерода перепад твердости уменьшается: для стали 17Г1С после закалки он составляет 50 единиц, после отпуска 10—15.
Исследование склонности к отпуску опытных сталей показывает, что с повышением температуры отпуска (выдержка 2 мин) они имеют разный темп разупрочнения. Проведенный фазовый анализ фиксирует в отпущенной ниобийванадиевой стали выделения карбидов ниобия и ванадия, упрочняющих сталь. Добавка бора в сталь, напротив, стимулирует разупрочнение при отпуске. Поведение стали 17Г1С в сравнении с двумя предыдущими определяется более высоким содержанием углерода.
С учетом рассмотренных факторов были выбраны температуры отпуска исследуемых сталей: 550, 600 и 640° С соответственно для сталей с бором, ниобийванадиевой и 17Г1С.
Механические свойства опытных сталей исследовали на поперечных образцах. Исследуемые стали во всех состояниях имеют высокую прочность при высоких пластичности и вязкости. Высокие пластичность и вязкость стали обусловлены низким содержанием серы. Следует отметить, что при высоких механических свойствах малоуглеродистые стали отличаются весьма низким углеродным эквивалентом (0,30-0,40 % по марочному составу), в то время как марочный состав стали 17Г1С обеспечивает углеродный эквивалент 0,34-0,46%.
Хладостойкость опытных сталей исследовали по сериальным кривым ударной вязкости при испытаниях образцов с острым надрезом. Если учесть, что ударную вязкость определяли на образцах с острым надрезом, то по результатам проведенных испытаний можно все исследованные стали считать весьма хладостойкими.
Обращает на себя внимание то, что при близких значениях прочности ниобийванадиевая сталь, десульфурированная в печи, имеет более низкую ударную вязкость в сравнении с другими сталями, подвергнутыми внепечной десульфурации, даже при том условии, что конверторная сталь имеет повышенное содержание углерода и марганца, более высокий углеродный эквивалент и соответственно более высокую прочность. Другими словами, использование внепечной десульфурации оказывается предпочтительным в сравнении с десульфурацией в печи. В данном случае, по-видимому, оказывает влияние более глубокая и равномерная очистка металла от включений, обеспечиваемая при рафинировании в ковше жидким синтетическим шлаком.
Рассмотренные результаты исследования показывают, что малоуглеродистые стали после ускоренного охлаждения перед смоткой или термоупрочнения обеспечивают высокую прочность, пластичность, вязкость при хорошей свариваемости. Применение ускоренного охлаждения в процессе прокатки позволит экономить энергетические ресурсы. Преимуществом процесса термоулучшения перед всеми другими является возможность наиболее широкого и гибкого регулирования режима процесса.
Процессы термического улучшения и ускоренного охлаждения при прокатке обеспечивают возможность достижения высокого комплекса свойств без использования дефицитных легирующих элементов, таких как ванадий и ниобий.
Таким образом, все исследованные стали после термического улучшения имеют уровень прочности более 590 Н/мм2 при высокой пластичности 14 вязкости. Регулируемое охлаждение после прокатки малоуглеродистой ниобийванадиевой стали обеспечивает механические свойства близкие по уровню к термоулучшенной стали. Стали с пониженным содержанием углерода (0,07-0,11 %) обеспечивают одинаковую со сталью 17Г1С прочность при более высокой ударной вязкости и лучшей свариваемости. Наиболее высокий уровень вязкости достигается в результате внепечной обработки стали синтетическим шлаком. Термическое улучшение либо ускоренное охлаждение стали после прокатки позволяет обеспечить высокий уровень механических характеристик без использования дефицитных легирующих элементов.
