Способ обработки ферритно-перлитных сталей

Изобретение относится к металлургии, в частности к термодеформационной обработке ферритно-перлитных сталей, для формирования гетерогенной структуры «у субмикрокристаллическая ферритная матрица - наноразмерные карбиды». Данная структура обеспечивает повышение прочностных и эксплуатационных свойств стали по сравнению с необработанной сталью с крупнозернистой структурой. Изобретение может быть использовано в ответственных металлических строительных конструкциях, промышленности и машиностроении, например, при производстве высокопрочных передаточных и крепежных изделий.

Низколегированные низкоуглеродистые горячекатаные ферритно-перлитные стали широко применяются в машиностроении и промышленности в связи с их низкой стоимостью и хорошими эксплуатационными и технологическими свойствами. В экстремальных условиях Севера и Арктики России наиболее широкое применение получила конструкционная хладостойкая ферритно-перлитная сталь 09Г2С. Однако с повышениями требований к безопасности и долговечности промышленных и строительных объектов Севера и Арктики России необходимо повысить прочность используемых стальных изделий и конструкций, что требует новых технологических решений и подходов. В связи с этим актуальной задачей является структурирование ферритно-перлитных сталей для повышения прочностных свойств и ударной вязкости при отрицательных температурах.

К настоящему времени разработано множество методов повышения прочности ферритно-перлитных сталей без изменения химического состава - это термическая обработка, например закалка, отжиг и т.д., деформационная обработка - ковка, прокатка, интенсивная пластическая деформация, т.д. и их комбинации.

Известные способы получения наноразмерных и ультрамелкозернистых материалов методом равноканального углового прессования позволяют получать структуру с размером зерна около 200 нм в образцах пластичных цветных металлов и сплавов диаметром от 10 до 60 мм и длиной от 100 до 350 мм (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.). Обычно равноканальное угловое прессование (далее РКУП) конструкционных сталей проводят при высоких температурах в интервале от 400 до 600°С с последующим отпуском при температурах от 400 до 600°С для снятия избыточных внутренних напряжений. Наиболее близкими к заявляемому способу являются: 1. Патент №2240197, МПК B21J 5/00, C22F 1/18, В21С 25/00 «Способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок» Валиев Р.З., Салимгареев Х.Ш., Рааб Г.И., Красильников Н.А., Амирханов Н.М., опубл. Бюл. №32 от 20.11.2004, в котором процесс осуществляют в следующий последовательности: деформация кручением в винтовом канале, затем РКУП, при этом заготовку дополнительно подвергают низкотемпературному отжигу для снятия внутренних напряжений. Недостатком данного способа является сложность комбинированной технологии интенсивной пластической деформации применительно к конструкционным сталям. 2. Патент №2443786, МПК C21D 8/00, C21D 1/78, В21J 5/06 «Способ обработки низкоуглеродистых сталей» Добаткин С.В., Никулин С.А., Рааб Г.И., Арсенкин A.M., Шаталина С.В., опубл. Бюл. №6 от 27.02.2012, в котором низкоуглеродистые стали с исходной бейнитной структурой подвергаются РКУП при температуре от 300 до 400°С и последующему низкотемпературному отжигу при температуре от 400 до 600°С. Недостатком данного способа являются высокие значения температуры РКУП и отжига применительно к сталям с исходной ферритно-перлитной структурой.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и хладостойкости ферритно-перлитных сталей за счет получения уникальной структуры, состоящей из субмикрокристаллической ферритной матрицы, армированной наноразмерными карбидами.

Технический результат достигается после равноканального углового прессования при 20°С, угол пересечения каналов Ф=90°, два цикла прессования по маршруту «Вс» (поворот заготовки вдоль своей оси на 90° в одном направлении) и кратковременного низкотемпературного рекристаллизационного отжига в интервале температур от 250 до 450°С в течение 1 часа, охлаждение на воздухе.

Сущность изобретения заключается в следующем

Структура конструкционной хладостойкой стали в исходном крупнозернистом состоянии ферритно-перлитная.

После РКУП структура состоит из распределенных в деформированной мелкоячеистой ферритной матрице обособленных карбидов диаметром 0,5 мкм, средний размер ферритных областей свободных от перлита уменьшился до 5 мкм.

При низкотемпературном рекристаллизационном отжиге при температурах от 250 до 450°С происходит дальнейшее уменьшение размеров ферритных областей, продолжается процесс диспергирования карбидов, происходит их растворение с диффузией углерода в феррит, сопровождающееся сфероидизацией и более равномерным рассредоточением карбидов в ферритной матрице. Минимальный радиус карбидных частиц составил первые десятки нанометров, размер ферритных областей 2 мкм. В феррите идет формирование развитой ячеистой структуры.

Увеличение температуры нагрева выше 500°С приводит к увеличению размера зерна и снижению прочности.

Механические испытания показали, что проведение данной обработки обусловило трехкратное повышение предела текучести и предела прочности по сравнению с исходным крупнозернистым состоянием.

Способ иллюстрируется следующими примерами

Низколегированную сталь 09Г2С с ферритно-перлитной структурой подвергали интенсивной пластической деформации методом РКУП при 20°С и угле пересечения каналов Ф=90° с двумя циклами прессования по маршруту «Вс» и последующим отжигом при 350°С в течение 1 часа с охлаждением на воздухе.

Получена уникальная структура, состоящая из субмикрокристаллической ферритной матрицы, армированной наноразмерными карбидами. Минимальный радиус карбидных частиц составил первые десятки нанометров, размер ферритных областей 2 мкм.

Предел текучести σ_T и предел прочности σ_B при комнатной температуре увеличились втрое и составили соответственно 985 и 1400 МПа. При минус 40°С σ_T=σ_B=990 МПа. Также получено двукратное увеличение ударной вязкости KCV: ударная вязкость при 20°С повысилась до 0,45 МДж⋅м^-2 против 0,22 МДж⋅м^-2 в исходном крупнозернистом состоянии.

Таким образом, предложенный способ обработки низкоуглеродистых сталей позволяет значительно повысить прочность и ударную вязкость ферритно-перлитных сталей, так как в материале образуется уникальная гетерогенная структура:

«субмикрокристаллическая ферритная матрица - наноразмерные карбиды». Кроме того, изобретение позволяет значительно снизить температурно-временные параметры РКУП и термической обработки.