Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЛСТОЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ АУСТЕНИТНОЙ НЕМАГНИТНОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано в машиностроительной и других областях промышленности, которые являются потребителями аустенитных сталей повышенной прочности и пластичности.

Известен способ получения толстолистового проката из аустенитной немагнитной стали, включающий нагрев слябов до температуры в интервале 850-1240°C, охлаждение до комнатной температуры и холодную (при этой температуре) пластическую деформацию [Дзугутов М.Я. Пластическая деформация высоколегированных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1977, 479 с. 1].

Производство толстолистового проката с помощью этого способа требует прокатных станов высокой мощности, поскольку при пластической деформации материала даже на небольшие степени лист сильно упрочняется. Однако известно, что при холодной деформации упрочнение происходит неравномерно и в области повышенных напряжений имеет место образование трещин.

Известен также способ получения толстолистового проката из аустенитной немагнитной стали, включающий нагрев слябов до температуры в интервале 850-1240°C, охлаждение до температуры 400-600°C и теплую (при этой температуре) деформацию [Орлов А.Р., Тюрин Л.Н., Грибовский В.К., Чернига Л.Е., Лысов Д.С. Теплая деформация металлов. Минск: Наука и техника, 1978, 415 с.]

В этом случае повышение напряжений при пластической деформации происходит не столь интенсивно, как при холодной деформации, поскольку в интервале температур 400-600°C релаксация напряжений протекает сильнее и, как следствие этого процесса, вероятность образования трещины при прокатке уменьшается. Поскольку прочность стали при 400-600°C ниже, чем при 20°C, мощность прокатного стана может быть уменьшена.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения толстолистового проката из аустенитной немагнитной стали, включающий нагрев слябов до температуры, соответствующей области стабильного аустенита (от 850°C до 1240°C), изотермическую выдержку при этой температуре в течение не менее 3 часов, последующую пластическую деформацию и охлаждение в воде [Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка стали. Том 2. С.695-1024. М.: Металлургия, 1968].

В этом известном способе пластическую деформацию осуществляют при высокой температуре, которая обеспечивает материалу достаточную пластичность. Высокая пластичность упрочненного материала, в свою очередь, исключает появление в толстолистовом прокате каких-либо трещин.

При такой высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО), заданную толщину листа можно получить, используя прокатный стан невысокой мощности ввиду достаточной пластичности упрочненного материала.

Способ осуществляют следующим образом. Слитки аустенитной стали куют на слябы требуемых размеров. Слябы прокатывают на листы толщиной 20-40 мм в интервале температур от 850°C до 1240°C. При этом степень обжатия составляет не менее 80%. Затем осуществляют изотермическую выдержку при этой температуре в течение не менее 3 часов. Затем проводят пластическую деформацию в валках прокатного стана и деформированные листы охлаждают в воде до комнатной температуры.

В этом способе получения толстолистового проката из аустенитной немагнитной стали в аустенитных зернах возникает структура, типичная для материалов после высокотемпературной термомеханической обработки: вытянутые зерна, границы которых в некоторых случаях имеют зубчатое строение. Внутри зерен наблюдается достаточно высокая плотность дислокаций, равная 10¹⁰ см^-2. При этом в объеме зерен и по их границам наблюдается выделение нитридов хрома и ванадия. Такая структура обеспечивает получение стали с определенными механическими свойствами, которые представлены в таблице. Низкие значения ударной вязкости (KCV) в толстолистовом прокате, полученном известным способом, можно объяснить, в первую очередь, граничным выделением нитридов. Несмотря на присутствие в аустенитных зернах дислокаций прочностные свойства стали оказываются сравнительно низкими. Сравнительно низкие прочностные свойства стали после ВТМО обусловлены тем, что деформация происходит при высоких температурах, при которых протекают два процесса. Первый процесс - это появление в аустените дислокаций, которые упрочняют материал. Второй процесс - сильная аннигиляция дислокаций, связанная с высокой температурой, при которой проводят деформацию, и, как следствие этого, разупрочнение материала. Второй процесс выражен в достаточно сильной степени, поэтому, высоких прочностных свойств после ВТМО получить не удается.

В основу изобретения положена задача повышения предела текучести и ударной вязкости толстолистового проката из аустенитных немагнитных сталей.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения толстолистового проката из аустенитной немагнитной стали, включающем нагрев слябов, изготовленных из этой стали, до температуры 850°C-1240°C, отвечающей области стабильного аустенита, изотермическую выдержку при этой температуре в течение не менее 3 часов, последующую высокотемпературную пластическую деформацию в валках прокатного стана в указанной области температур и охлаждение, согласно изобретению после пластической деформации толстолистовой прокат нагревают до температуры 1150±20°C, проводят повторную изотермическую выдержку в течение не менее 3 часов, затем охлаждают до температуры 600±50°C и осуществляют дополнительную пластическую деформацию на 15-20% при этой температуре, а охлаждение проводят после дополнительной пластической деформации. При этом охлаждение осуществляют на воздухе

Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что после высокотемпературной пластической деформации толстолистовой прокат нагревают до температуры 1150±20°C и повторно изотермически выдерживают при этой температуре в течение не менее 3 часов. Далее лист охлаждают до температуры 600±50°C, при которой проводят его дополнительную пластическую деформацию на 15-20%. Затем лист охлаждают на воздухе.

Нагрев толстолистового проката до температуры 1150±20°C после высокотемпературной пластической деформации проводят для того, чтобы растворить в аустените нитриды хрома и ванадия, которые выделились в процессе высокотемпературной деформации как внутри, так и по границам зерен и сильно уменьшили ударную вязкость листа. В результате растворения нитридов в твердом растворе ударная вязкость существенно увеличивается, а прочностные свойства снижаются. Температура нагрева Т_Н=1150°C является оптимальной из указанного выше интервала температур. Ее снижение приводит к уменьшению количества растворившихся нитридов, в результате чего ударная вязкость толстолистового проката после ВТМО снижается. Пластическая деформация при оптимальной температуре нагрева обеспечивает упрочнение аустенита. Повышение температуры деформации обусловливает снижение прочности аустенита.

Дополнительная пластическая деформация при температуре 600±50°C существенно упрочняет аустенит за счет появления в нем дислокаций. Появление дислокаций в твердом растворе в некоторой степени снижает ударную вязкость листа, которую он имел после пластической деформации, но ее значение, однако, остается на высоком уровне.

Температура деформации Т_деф=600°C является оптимальной из указанного выше интервала, поскольку она обеспечивает выделение оптимального количества дисперсных нитридов, которые закрепляют дислокации, появившиеся в аустените в результате деформации.

При снижении температуры деформации ниже 600°C количество нитридов уменьшается и, как следствие этого процесса, предел текучести имеет более низкий уровень.

При повышении температуры деформации выше 600°C количество выделившихся нитридов увеличивается, что ведет к снижению ударной вязкости.

Следовательно, заявляемый способ по сравнению с известным позволяет повысить предел текучести и ударной вязкости в получаемом толстолистовом прокате из аустенитной немагнитной стали

Кроме того, необходимо отметить, что предлагаемый новый метод упрочнения не требует применения какого-либо дополнительного оборудования и его можно осуществить на том же прокатном стане, что и в случае использования известного метода упрочнения. Таким образом, предлагаемый способ упрочнения достаточно технологичен и прост в условиях реального производства.

Пример. В качестве материала, упрочненного известным и предлагаемым методами, использовали аустенитную сталь следующего состава, мас.%: 0,04 C; 19,85 Cr; 6,39 Ni; 10,08 Mn; 0,45 N₂; 1,55 Mo; 0,45 V; 0,15 Nb; 0,26 Si; 0,005 S; 0,015 P; ост. Fe. Для производства толстолистового проката были выплавлены крупногабаритные слитки, которые подвергали гомогенизации при 1230°C в течение трех часов. После этого слитки ковали на слябы требуемых размеров. Затем их нагревали до температуры 850-1240°C, соответствующей области стабильного аустенита, изотермически выдерживали при этой температуре в течение не менее 3 часов, затем осуществляли последующую высокотемпературную пластическую деформацию в валках прокатного стана, в указанной области температур прокатывали на листы с суммарной степенью обжатия не менее 80%, затем нагревали до 1150°C, изотермически выдерживали в течение не менее трех часов, затем быстро охлаждали до температуры 600°C и проводили при этой температуре дополнительную пластическую деформацию на 15-20%.

После проведения дополнительной пластической деформации лист охлаждали на воздухе.

Из полученных известным и заявляемым способом листов изготавливали образцы для испытаний на растяжение на испытательной установке FP-100 с максимальным усилием 10 т и на ударный изгиб на копре установки ПСВ-30 с удельной мощностью 30 кГм/см².

Временное сопротивление σ_В (предел прочности), предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ определяли на пятикратных образцах с диаметром рабочей части 4 мм.

Ударную вязкость KCV определяли на образцах сечением 10×10 мм и длиной 55 мм. В середине ударного образца делали V-образный надрез глубиной 2 мм. Структуру образцов исследовали на оптическом и электронном микроскопах.

Данные об измерении механических свойств известного и заявляемого способа представлены в таблице

В известном способе получения толстолистового проката из аустенитной немагнитной стали в этой стали возникает структура, типичная для материалов после высокотемпературной термомеханической обработки: вытянутые зерна, границы которых в некоторых случаях имеют зубчатое строение. Внутри зерен наблюдается достаточно высокая плотность дислокаций, равная 10¹⁰ см^-2. При этом в объеме зерен и по их границам наблюдается выделение нитридов хрома и ванадия. Эта структура обеспечивает получение стали с определенными механическими свойствами, которые представлены в таблице. Низкие значения ударной вязкости KCV можно объяснить, в первую очередь, граничным выделением нитридов.

В заявляемом способе получения толстолистового проката из аустенитной немагнитной стали происходят следующие процессы. Нагрев материала до 1150°C после высокотемпературной деформации приводит к образованию рекристаллизованных зерен с низкой плотностью дислокаций. При этом нитридные частицы, присутствующие внутри и по границам зерен, растворяются в процессе изотермической выдержки при 1150°C. Пластическая деформация на 15% при 600°C обусловливает появление дислокаций в рекристаллизованной матрице. Кроме того, в процессе деформации происходит распад пересыщенного твердого раствора и дислокации закрепляются дисперсными нитридными частицами. Описанная структура обусловливает получение механических свойств, представленных в таблице.

Как видно из представленной таблицы, в заявляемом способе предел текучести увеличивается по сравнению с пределом текучести в известном способе в 1,3 раза (с 808 до 1066 МПа), а ударная вязкость повышается в 3,2 раза (с 37 до 121). При этом относительное сужение ψ практически не изменяется, а относительное удлинение δ, хотя и снижается, но остается на сравнительно высоком уровне.