ДонНТУ   Портал магистров

Ермаченко Дарина Игорена

Факультет физико-металлургический

Кафедра физического материаловедения

Специальность Прикладное материаловедение

Изучение влияния параметров аустенитизации на распад переохлажденного аустенита проволочной заготовки из высокоуглеродистой стали для проволоки высокой прочности

Научный руководитель: д.т.н., проф. Алимов Валерий Иванович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки

Содержание

• Введение
• 1. Характеристика и свойства высокоуглеродистой стали для проволоки высокой прочности
• 2. Виды термической обработки проволоки
• 3. Постановка задачи и цели исследований
• 4. Материалы, методика, оборудование для исследования
• 5. Результаты исследований
• Выводы
• Список источников

Введение

От 8 до 10% количества мирового производства технического железа и стали перерабатывается в проволоку. Номенклатура изделий, изготавливаемых из проволоки, весьма разнообразна, например, канаты, пружины, винты, гвозди, иглы, грозозащитная проволока, арматура для резины, тканей и железобетона. Ежегодно, применяется десятки миллионов тонн проволоки. Высокопрочная проволока основное свое применение нашла при изготовлении канатов, пружин и арматуры для предварительно напряженного железобетона. Эти изделия являются ответственными деталями сложных машин и конструкций, поэтому к ним предъявляются высокие требования по качеству [1].

За последние годы, спрос на высокопрочную проволоку в мире увеличился вдвое. Так, например, 2010 году на внутреннем рынке Украины было реализовано 910,9 тыс. тонн высокопрочной проволоки. По итогам 2013-2014 гг. спрос на высокопрочную проволоку увеличился в среднем на 6,8% по сравнению с 2010 годом. Наблюдавшийся на внутреннем рынке Украины рост потребления проволоки, в значительной мере определялся развитием строительного сектора, машиностроительного комплекса, добывающих отраслей, где активно используются данная продукция [2]. В России в 2009 г. внутреннее потребление проволоки различных видов составило 37,1 млн. тонн (110,4% к 2008 г.), в том числе поставки отечественной продукции дос-тигли 32 млн. тонн (107% к 2006 г.). Также в России, по мнению экспертов, до 2017 года потребность в высокопрочной проволоки составит больше 12 млн. тонн [2].

Таким образом, потребление высокопрочной проволоки с каждым годом увеличивается, поэтому актуальным является вопрос об усовершенствовании технологии производства и термической обработки проволочной заготовки с целью получения необходимого уровня свойств проволоки.

1.Характеристика и свойства высокоуглеродистой стали для проволоки высокой прочности

Для изготовления проволоки высокой прочности применяют высокоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,6-1,0%. Для проволоки высокой прочности чаще всего используют углеродистые высоколегированные стали марок 70, 75, 80, 85 и др. Химический состав определяется требованиями ГОСТ 10543 [3]. Однако в составе стали не должно быть примесей, которые неблагоприятно влияют на свойства при проведении необходимой для проволоки термической обработки - патентирования.

Для высокопрочной стали наиболее типичная работа под действием растягивающих сил. Прочность высокопрочных сталей на растяжение характеризуется временным сопротивлением разрыву и пределом текучести. Для установления свойств прочности изготовленной высокопрочной стали ее испытывают на растяжение и на изгиб в холодном состоянии. Для этого образец сгибают под углом 45 ... 1800, в зависимости от марки стали, вокруг оправки диаметром 1 ... 5 диаметров образца. После изгиба на внешний растянутой стороне образца не должно быть никаких трещин, отслоений или взлома. Проводят также испытания стали на удар, определяя тем самым ее способность сопротивляться возникающим в процессе работы динамическом воздействия. Испытания стали на удар позволяет узнать степень ее хрупкости, качество обработки и ударную вязкость (отношение работы, затраченной на разрушение образца к площади его поперечного сечения в месте излома). Ударная вязкость стали весьма важный показатель, влияющий на прочность конструкций, которые подвержены динамическим нагрузкам при значительной отрицательной температуре воздуха [4].

Таким образом, для изготовления высокопрочной проволоки применяется высокоуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,6-1,0 %. Именно структура и свойства стали в дальнейшем обеспечивают необходимый комплекс свойств готовой проволоки.

2. Виды термической обработки проволоки

Классический способ термообработки катанки - это патентирование и отжиг на зернистый перлит. Патентирование в цехе производится на протяжных агрегатах, которые в своем составе имеют: печь для нагрева; селитровую ванну; промывочную ванну - 2шт; травильную ванну; ванну для бурения; сушильное устройство; намоточное устройство. [5].

Патентирование заключается в нагреве заготовки до температуры 950-980°С и охлаждение ее в селитровой ванне при температуре 450-550°С (температуры зависят от химического состава металла). Такие температуры соли обеспечивают превращение переохлажденного аустенита в тонкопластинчатый перлит (сорбит) с толщиной пластинок цементита 10-40 нм и феррита 60-200 нм [5]. Патентирование стали необходимо проводить с учетом непрерывности процесса волочения, поэтому проволока по выходе из фильер пропускается через трубки, уложенные в печь, нагретую до температуры закалки стали; после нагрева проволоку протягивают через соляную ванну, затем извлекают из нее. Охлаждают, наматывают на барабаны и вновь протягивают через следующие фильеры. Длину печи, ванны расстояние от ванны до намоточного барабана и скорость движения проволоки рассчитывают так, чтобы проволока прогрелась до нужных температур, завершились происходящие превращения, и проволока успела охладиться на воздухе. В микроструктуре патентируемой стали не должно быть мартенситных включений и избыточного феррита. Такая структура позволяет проводить волочения с высокими степенями обжатия и обеспечивает после волочения упрочнение стали с сохранением повышенной пластичности и вязкости [6].

Существует множество публикаций, которые описывают разные способы нагрева и охлаждения проволочной заготовки. Безусловный интерес представляет нагрев проволочной заготовки в низкотемпературной плазме и электролитах. Однако отсутствует информация о структуре и свойствах, обработанных таким образом сталей. Отказаться от использования расплавов солей можно путем использования низколегированных сталей, однако это не выгодно, из-за растущего дефицита легирующих элементов.

Последние годы большой интерес представляют технологии, в которых в качестве охладителя при сорбитизации используется вода. Com-plex Water Bath Processing – это процесс, в котором температуры аустенитизации при промежуточном патентировании составляют 800°С-820°С, а при заключительном – 820°С-850°С. Это положительный аспект данной технологии, т. к. эти температуры ниже, чем при патентировании в расплаве свинца [7].

Еще одна технология бессолевой сорбитизации – это сорбитизации стали на воздухе, который движется. При изучении сорбитизации потоком движущегося воздуха, было выяснено, что повышение температуры аустенитизации и продолжительности выдержки образцов приводит к монотонному увеличению микротвердости стали [7]. Это связано с тем, что растет зерно аустенита и его гомогенность, а это увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, его склонность к переохлаждению и получения более дисперсных структур при распаде[8].

С уменьшением скорости охлаждения уменьшается и твердость катанки. Увеличение температуры нагрева и длительности выдержки приводит к повышению значений микротвердости продуктов диффузионного распада переохлажденного аустенита [9].

В настоящее время внедряются новые технологии в процесс термиче-ской обработки проволоки. Одна из таких технологий – это сорбитизация стали в сыпучем графите. Известно, что при охлаждении с температуры аустенитизации сталей в сыпучем графите возможны самопроизвольные структурно-фазовые превращения, которые позволяют получить необходимый уровень свойств без энергозатрат на процесс охлаждения. Знания о фазово-структурных превращениях в металлах базируется на их термодинамике, механизме и кинетике. Кинетику фазово-структурных превращений характеризуют параметры, кинетические кривые и диаграммы. Известно, что сыпучий графит в отличии от жидких (вода, масло, расплавленные соли) и газообразных (воздух, газы) сред является «псевдо твердой» податливой охлаждающей средой, он обеспечивает более равномерную передачу тепла от металла [9].

Исследования многих ученых показали, что проведенное в реальных неизотермических условиях охлаждение образцов проволочной заготовки в среде порошкообразного графита свидетельствует о том, что предварительная холодная пластическая деформация при последующих процессах аустенитизации и распада переохлажденного аустенита способствует ускорению зарождения центров продуктов распада. В работе [9] изучается влияние условий формирования сорбитной структуры в высокоуглеродистой катанке путем аустенитизации и после-дующего охлаждения в порошкообразном графите. Для этого образцы катанки из стали 75 аметром 6,5 мм, стали 70 диаметром 6,5 мм, стали 75 диаметром 5,5 мм и стали 80 диаметром 5,5 мм нагревали до 950° с удельной выдержкой из расчета 1,5 мин/мм сечения, после чего образцы извлекали из печи и помещали для дальнейшего охлаждения в графитовый порошок при комнатной температуре. Полученные значения микротвердости подтверждают тот факт, что, с увеличением содержания углерода в стали и уменьшением диаметра катанки и при таком способе охлаждения, микротвердость увеличивается.

Структура стали после сорбитизации в порошкообразном графите состоит из сорбита, структура которого является наиболее желательной при проведении данной термообработки. В ходе таких исследований учеными были получены кинетические кривые превращения переохлажденного аустенита в перлитные структуры. Кинетические кривые дают основания для построения реальных диаграмм распада переохлажденного аустенита в неизотермически охлаждающей среде графита. Такие исследования свидетельствуют о возможности отказа от токсичных солевых ванн в пользу порошкообразного графита [10].

Еще одна нетрадиционная технология термической обработки высокопрочной проволоки – это патентирование проволоки в кипящем слое. С целью устранения патентирования проволоки в токсичных свинцовых и взрывоопасных селитровых ваннах Уральским политехническим институтом, Гипрометизом и Белорецким металлургическим комбинатом разработана технология и опытно-промышленный агрегат для патентирования проволоки в кипящем слое.

Агрегат представляет собой печь для нагрева проволоки длинной 3350 мм и ванну охлаждения длиной 4640 мм, разделенные перегородкой толщиной 250 мм. Температура кипящего слоя в печи 950°С, а в ванне может регулироваться от 60°С до 500°С [11].

В качестве псевдоожижаемого мелкозернистого материала в печи и ванне использовали белый корунд с частицами размером 100мкм. Для патентирования проволоки в кипящем слое было отобрано свыше 50 тонн проволоки. Результаты исследований показали, что временное сопротивление разрыву, относительное удлинение и относительное поперечное сужение проволоки удовлетворяют требованиям ТУ 93-67 для патентируемой проволоки. Микроструктура проволоки после патентирования на установке с кипящем слоем – сорбит с наличием небольшого количества феррита. Также в ходе исследований, учеными Уральского политехнического института было установлено, что температуру печи с кипящем слоем можно изменять в широких пределах (от 800°С до 1000°С). Изменение температуры нагрева значительно влияет на структуру и свойства проволоки из высокоуглеродистой стали. С повышением температуры кипящего слоя увеличивается устойчивость аустенита, его превращение при охлаждении идет при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-карбидной смеси и уменьшает количество избыточного феррита. Эти структурные изменения сопровождаются повышением прочностных свойств проволоки. Подробнейшие сравнительные исследования показали, что проволока патентированная в кипящем слое, не отличается от патентируемой в свинце и селитре не только по своим механическим свойствам, но и по ряду физических свойств.

Еще в 1972 г. для производства и эксплуатации печей ванн с кипящим слоем в Англии была создана фирма «Hudfire Development Limited». Она разработала установку для патентирования проволоки в кипящем слое, состоящую из трех зон [11].

Отмечается, что эти печи имеют значительные преимущества перед обычными, так как упрощается намотка проволоки, в четыре раза уменьшается длина печи, снижается окисление проволоки, достигается ее высокая температурная однородность. В тоже время замена кипящим слоем охлаждающей селитровой ванны позволяет устранить отложение соли на проволоке, окисление ванны и очистить атмосферу от вредного воздействия испарений соли [11].

3. Постановка задачи и цели исследований

В качестве термической обработки проволоки из высокоуглеродистой стали применяется патентирование в расплавах солей, которое обеспечивает получение структуры сорбита. Однако патентирование в жидких средах является очень трудоемким и энергозатратным процессом. Расплавы солей также являются очень взрывоопасными и негативно влияют экологию окружающей атмосферы.

Компромиссным решением, которое обеспечивает снижение трудоем-кости и энергозатрат на процесс термообработки проволоки, а также улучшает условия труда на производстве, является сорбитизация заготовки для проволоки в сыпучих средах.

Поэтому, цель данной магистерской работы – это изучение условий формирования структуры сорбита в высокопрочной проволоки из высокоуглеродистых сталей путем аустенитизации и дальнейшего охлаждения в сыпучих средах типа порошкообразного графита.

4. Материалы, методика, оборудование для исследования

Материалом для данной работы послужила проволочная заготовка из холоднодеформированной высокоуглеродистой стали 85 с различными степенями обжатия вплоть до 75% диаметром 2 мм. Химический состав данной стали приведен в таблице 1 [12].

В опытах изучали закономерности охлаждения образцов из стали 85 в порошкообразном графите. Для этого образцы O 2,0 мм и длиной 30 мм укладывали в жаропрочные керамические тигли, засыпали древесным углём, который служил в качестве защитной среды от обезуглероживания и окисления поверхности, и загружали в нагревательные электрические печи МП-2УМ, предварительно нагретую до температуры 950±10°С и 1000±10°С; общее время нагрева и выдержки при этой температуре составляло 10 мин для полного завершения перлито-аустенитного превращения и формирования однофазного аустенитного состояния.

После окончания выдержки образцы по одному во избежание потерь тепла быстро переносили в тигель с серебристым порошкообразным графитом дисперсностью 6-7 мкм; длительность выдержки в нем 0 – 12 с; после этого образцы резко охлаждали в воде.

Шлифы изготавливали по стандартной методике с последующим их травлением в 4%-ом спиртовом растворе азотной кислоты. Микроструктуру образцов изучали на микроскопе МИМ – 7 с последующим фотографированием; измерение микротвёрдости проводили на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 1 Н.По микроструктурам исследуемых образцов оценивали долю превращённого аустенита по методу секущих (ГОСТ 5639) и строили кинетические кривые превращения переохлаждённого аустенита в продукты распада.

5. Материалы, методика, оборудование для исследования

На рисунке 4 и 5 представлены микроструктуры проволоки после сорбитизации в порошкообразном графите при температуре 950° и 1000° соответственно. По микрофотографиям с помощью метода секущих считали объемные доли фаз. По результатам расчетов были получены кинетические кривые в координатах процент распада – время распада.

Видно, что при выдержке в течение 1 с структура состоит из мартенсита, следовательно, распад ещё не начался; при выдержке 6 с структура частично состоит из мартенсита и продуктов распада, т. е. происходит частичный распад аустенита, а при 9 с – полностью из продуктов распада, что свидетельствует о полном завершении процесса распада переохлаждённого аустенита.

По микрофотографиям с помощью метода секущих считали объемные доли фаз. По результатам расчетов были получены кинетические кривые в координатах процент распада – время распада. Кинетические кривые представлены на рисунке 6 и 7.

Из рисунка 6 видно, что в проволоке с ПХПД 0% распад аустенита на-чался на 6с, а завершился на 10 с. В проволоке с ПХПД 27% распад начался на 6 с и закончился на 10 с. А в проволоке с ПХПД 75% распад аустенита начался на 2 с, а завершился на 8с. Получается, что распад переохлажденного аустенита проволоки с ПХПД 0% длился 4 с, 27% длился 4 с, а проволоки с ПХПД 75% 6 с.

Из рисунка 7 видно, что в проволоке с ПХПД 0% распад аустенита на-чался на 4с, а завершился на 11 с. В проволоке с ПХПД 27% распад начался на 7 с и закончился на 12 с. А в проволоке с ПХПД 75% распад аустенита начался на 6 с, а завершился на 12с. Получается, что распад переохлажденного аустенита проволоки с ПХПД 0% длился 7 с, 27% длился 5 с, а проволоки с ПХПД 75% 6 с.

Сравнивая полученные результаты после сорбитизации при температуре 950°С с результатами при температуре 900°С можно сделать вывод, что распад аустенита в проволоке с ПХПД 0% начался позже на 2 с. В проволоке с ПХПД 27% распад аустенита начался позже на 4 с, в проволоке с ПХПД 75% распад начался раньше на 1 с.

При сравнении результатов после сорбитизации при температуре 950°С и результатов после сорбитизации при 1000°С, видно, что распад проволоки с ПХПД 0% начался одинаково на 4с, однако, закончился позже. В проволоках с ПХПД 27% и 75% распад начался и закончился позже.

Далее с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 50 грамм измеряли микротвердость продуктов распада переохлажденного аустенита. После чего построили графики зависимости микротвердости продуктов распада от времени изотермической выдержки, которые представлены на рисунке 8.

Таким образом, повышение степени ПХПД приводит к ускорению времени начала распада переохлажденного аустенита в среде порошкообразного графита, но при этом увеличивает длительность этого распада. Ускорение начала распада вероятно связано с введенными дефектами кристаллического строения, которые увеличивают количество мест для зарождения новой фазы, тем самым снижая длительность инкубационного периода.

Сравнение полученных результатов с данными для распада от 900°С свидетельствует о том, что для недеформированных и деформированных образцов с малыми степенями обжатия начало распада при температуре 950°С затормаживается, в то же время, у сильнодеформированных образцов начало распада фиксируется раньше. Это можно объяснить следующим образом. Известно, что рост температуры аустенитизации способствует возрастанию размера зерна аустенита и ускорению его гомогенизации, в результате чего затрудняется его распад при последующем охлаждении, что и было получено для образцов с ПХПД 0 и 27 %. В случае высокой степени ПХПД внедренное большее количество дефектов не успевает достаточно снизиться за указанное (10 мин) время выдержки и препятствует росту зерна и гомогенизации аустенита, одновременно облегчая зародышеобразование при последующем охлаждении. В следствие этого, распад аустенита для образцов с большой предшествующей деформацией ускорился.

Выводы

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче изучения влияния параметров аустенитизации на распад переохлажденного аустенита высокоуглеродистой стали:

1. Формирование структуры сорбита в высокоуглеродистой проволочной заготовки путем аустенитизации и дальнейшем охлаждении в бессолевых средах принципиально возможно и требует детального изучения.
2. На основании анализа литературных источников определено, что порошкообразный графит является актуальной охлаждающей средой для сорбитизации, т. к. позволяет получить необходимую структуру и уровень свойств проволочной заготовки. Также охлаждение в сыпучем графите позволяет экономить энергозатраты и улучшить экологию окружающей среды.
3. Проведен ряд экспериментов по использованию среды порошкообразного графита для сорбитизации стали.
4. Целесообразно более глубокое изучение данного вопроса для поиска новых и усовершенствования старых режимов термической обработки проволочной заготовки, с целью повышения и улучшения механических характеристик проволоки, а также продление срока службы.

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

1. Качественное совершенствование применения среды сыпучего графита для сорбитизации.
2. Адаптация сорбитизации в графите в производственных условиях.

Список источников

1. Виды и применение проволоки [Электронный ресурс] / Интернет журнал – Режим доступа: http://www.sportobzor.ru/poleznye-sovety/vidy-i-primenenie-provoloki.html
2. Рынок металлов: прогнозы старые и новые [Электронный ресурс] / Информационно-аналитический журнал – Режим доступа: http://www.metalbulletin.ru/analytics/color/341/
3. ГОСТ 3282-74. Проволока стальная. Технические условия. – Введ. 1974-17-01. – М.: Изд-во стандартов, 1976. – 17 с.
4. Циммерман Р. Металлургия и материаловедение / Р. Циммерман, К. Гюнтер; пер. с нем. – М.: Металлургия, 1982. – 480 с.
5. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов / Гуляев А.П. – [6-е изд.]. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
6. Жучков С.М. Новая технология и оборудование для повышения качества катанки / С.М. Жучков // Наука та Інновації. – 2007 - № 3. – С. 43 – 49.
7. Алимов В.И. Бессолевая сорбитизация проволоки / В.И. Алимов // Металлургия: Сб. науч. трудов. ДВУЗ «ДонНТУ» - Донецк. – 1999. – Випуск 8 (141). – С. 129 – 133.
8. Алимов В.И. Влияние режима термообработки на структуру и свойства предварительно ускоренно охлажденной с прокатного нагрева катанки / В.И. Алимов, О.В. Олейникова, Т.С. Коржова // Металлургия: Сб. науч. трудов ДонНТУ. – 2011. – Вып. 13 (194). – С. 170-179.
9. Алимов, В.И. Фазовые и структурные превращения при деформационно-термической обработке проволоки / В.И. Алимов, О.В. Пушкина. – Донецк: Донбасс, 2012. – 242 с.
10. Пат. на кор. Модель Укр. №65131, МПК С21Д9/52 (2006.01). Спосіб сорбітизації дротяної заготівки для музичних струн в сипучому графіті / Алімов В. І., Туков В. А., Алімова С. В., Максаков А. І., Олейнікова (Пушкіна) О. В., Пономарьова І. В. - № и 2011 06109; заявл. 16.05.2011, Бюл. № 22.
11. Башнин Ю.А. Технология термической обработки стали / Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Сеней А.Г. – М.: Металлургия, 1986. – 424 с.
12. Сорокин В.Г. Стали и сплавы: Марочник / В.Г. Сорокин, М. А. Гервасьев – М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. – 608с.