Способ термической обработки листового проката из низкоуглеродистой феррито-перлитной стали

Изобретение относится к технологии термической обработки листового проката, предназначенного для изготовления деталей и узлов конструкций, работающих при низких температурах, например контейнеров для перевозки, и длительного хранения отработавшего ядерного топлива. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и хладостойкости низкоуглеродистой феррито-перлитной стали. Для достижения технического результата осуществляют предварительную деформацию заготовки при температуре 1000-850°С с суммарным обжатием 65-75% и окончательную деформацию при температуре 750-700°С с обжатием за проход не менее 12% и суммарным обжатием не менее 60%, затем осуществляют закалку с прокатного нагрева со скоростью более 35°С/мин до 150±10°С и последующим охлаждением на воздухе, после закалки проводят высокий отпуск листа при температуре 600±10°С с выдержкой 4,0-6,0 мин/мм толщины, а после него проводят стабилизирующий отпуск при температуре 460+10°С с выдержкой 3-5 час с последующим охлаждением на воздухе. 2 табл.

 

Изобретение относится к технологии термической обработки листового проката, предназначенного для изготовления деталей и узлов конструкций, работающих при низких до -60°C температурах, например контейнеров для перевозки, и длительного хранения отработавшего ядерного топлива.

Известны способы термической обработки изделий из сталей перлитного класса, позволяющие снизить в них внутренние напряжения и повысить вязко-пластические свойства (Гуляев А.П. «Металловедение», М.: «Металлургия», 1977 г., стр.275-281).

Известен способ термической обработки низкоуглеродистых сталей, состоящий из отжига или нормализации, который позволяет снизить внутренние напряжения и повысить хладостойкость. Согласно известному способу материал нагревают до температуры выше точки А_с3, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают с печью или на воздухе. Недостатком этого способа является выделение из аустенита в процессе охлаждения феррито-перлитной смеси с пластинчатой формой цементита и предвыделений третичного цементита, которые приводят к охрупчиванию стали при низкой температуре (В.Г.Сорокин, А.В.Волосников и др. «Марочник сталей и сплавов», М.: «Машиностроение», 1989 г.)]

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ производства листов из хладостойкой стали, изложенный в патенте №2337976, опубликованном 10.11.2008 г. Способ включает предварительную деформацию при температуре 1000-850°C с суммарным обжатием 65-75%, окончательную деформацию при температуре 750-700°C с обжатием за проход не менее 12% и суммарным обжатием не менее 60%, дальнейшую закалку стали ведут с прокатного нагрева (с температуры 700-750°C) со скоростью более 35°C/мин до температуры 150±10°C, затем - на воздухе, последующий высокий отпуск ведут при температуре 650±20°C с выдержкой 1,0-1,5 мин/мм толщины листа с последующим охлаждением на воздухе.

Недостатками известного способа, как установлено исследованиями, являются недостаточно высокая прочность и хладостойкость низкоуглеродистых феррито-перлитных сталей за счет возникновения в них зон предвыделений третичного цементита при охлаждении после высокого отпуска.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и хладостойкости низкоуглеродистой феррито-перлитной стали.

Технический эффект достигается за счет того, что в способе термической обработки листового проката из низкоуглеродистой феррито-перлитной стали, включающем предварительную деформацию при температуре 1000-850°C с суммарным обжатием 65-75%, окончательную деформацию с обжатием за проход не менее 12% и суммарным обжатием не менее 60%, дальнейшую закалку ведут с прокатного нагрева со скоростью более 35°C/мин до температуры 150±10°C, затем - на воздухе, далее высокий отпуск, согласно изобретению высокий отпуск осуществляют при температуре 600±10°C с выдержкой 4,0-6,0 мин/мм от толщины, после чего проводят стабилизирующий отпуск при температуре 460+10°C с выдержкой 3-5 час с последующим охлаждением на воздухе.

Как установлено исследованиями, осуществляемый высокий отпуск в диапазоне температур 600±10°C с охлаждением на воздухе приводит к возрастанию прочности стали и к образованию участков с предвыделениями третичного цементита, что резко снижает хладостойкость стали. Это вызвано тем, что предвыделения третичного цементита имеют параметры решетки, отличные от матрицы, и в последней создают растянуто-сжатые области, что приводит к возникновению напряжений 2 рода, которые снижают хладостойкость стали.

На хладостойкость стали оказывает влияние и длительность выдержки при отпуске. Так при увеличении длительности высокого отпуска от 1,5 до 4,0-6,0 мин/мм толщины листа происходит коагуляция цементитных частиц, что повышает хладостойкость стали. С увеличением длительности отпуска, превышающей 6 мин/мм толщины листа из-за роста частиц цементита по границам зерен за счет растворения частиц Fe₃C внутри α-фазы и их огрубления, происходит снижение хладостойкости.

Дальнейшее повышение хладостойкости листового проката возможно благодаря проведению после закалки с прокатного нагрева и основного отпуска дополнительного стабилизирующего отпуска при температуре 460+10°C с выдержкой 3,0-5,0 час с последующим охлаждением на воздухе. Известно, что после закалки и высокого отпуска с охлаждением на воздухе низкоуглеродистая феррито-перлитная сталь приобретает сорбитную структуру, т.е. феррит-цементитную смесь, где цементит имеет округлую форму. В процессе нагрева при отпуске стали до температуры 600±10°C происходит коагуляция цементита, что позволяет получать зернистый перлит, мелкие карбиды которого затрудняют перемещение дислокаций и повышают прочностные свойства стали. Кроме того, при отпуске стали имеет место растворение основной массы третичного цементита. При последующем быстром охлаждении на воздухе из-за пересыщения феррита углеродом образуются зоны предвыделения третичного цементита.

Проведенные исследования методом количественной металлографии показали, что при проведении дополнительного отпуска при температуре 460+10°C в течение 3,0-5,0 час происходят выделение и коагуляция третичного цементита, что приводит к повышению хладостойкости листового проката. Таким образом данный режим позволяет получать сталь повышенной прочности и хладостойкости (Таблица 2).

При температуре ниже 460°C выделившиеся мелкие частицы третичного цементита затрудняют движение дислокаций, что приводит к снижению ударной вязкости при отрицательных температурах.

При температуре выше 460°C происходит выделение мелких тугоплавких карбидов хрома, ванадия и ниобия, что также приводит к снижению ударной вязкости.

Пример выполнения заявленного способа:

на металлургическом заводе ОАО “Северсталь” была выплавлена низкоуглеродистая феррито-перлитная сталь марки 09Г2СА-А, химический состав которой приведен в Таблице 1.

Таблица 1
Химический состав стали 09Г2СА-А
Марка стали	Содержание элементов, мас.%
C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	V	Nb	Fe
09Г2СА-А	0,009	0,54	1,42	0,006	0,004	0,20	0,25	0,10	0,04	0,05	Остальное

Из этой стали был изготовлен листовой прокат толщиной 60 мм, который подвергался закалке с прокатного нагрева с температур 750 и 700°C в воде со скоростью порядка 40°C/мин до температуры 150°C далее на воздухе. Из листового проката были вырезаны заготовки размером 20×20×60 мм, которые были подвергнуты высокому отпуску при температурах 590 и 610°C с выдержкой в течение 4,0; 5,0 и 6,0 час с последующим охлаждением на воздухе.

Затем эти заготовки были подвергнуты дополнительному отпуску при температурах 460 и 470°C с выдержкой 3,0; 4,0 и 5,0 час с последующим охлаждением на воздухе.

Из этих заготовок были изготовлены разрывные образцы по ГОСТ 1497-84 и ударные образцы «Шарли» с острым надрезом, которые были испытаны при температурах +20 и -60°C по ГОСТ 9454. Результаты испытаний представлены в Таблице 2.

Как видно из полученных результатов, образцы, обработанные по предлагаемому способу, имеют более высокие значения прочностных свойств и хладостойкости по сравнению с образцами, термообработанными по известному способу.

Ожидаемый технико-экономический эффект по сравнению с прототипом выразится в возможности создания новых изделий специальной техники повышенной надежности и долговечности из экономнолегированной низкоуглеродистой феррито-перлитной стали за счет повышения ее прочностных свойств и хладостойкости.

Способ термической обработки листового проката из низкоуглеродистой феррито-перлитной стали, включающий предварительную деформацию при температуре 1000-850°С с суммарным обжатием 65-75%, окончательную деформацию при температуре 750-700°С с обжатием за проход не менее 12% и суммарным обжатием не менее 60%, последующую закалку с прокатного нагрева со скоростью более 35°С/мин до температуры 150±10°С, затем - на воздухе, далее высокий отпуск с последующим охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что высокий отпуск осуществляют при температуре 600±10°С с выдержкой 4,0-6,0 мин/мм толщины, после него проводят стабилизирующий отпуск при температуре 460+10°С с выдержкой 3-5 ч с последующим охлаждением на воздухе.