Результат интеллектуальной деятельности: 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, 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 ферритоперлитной 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.

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

Техническим результатом изобретения является повышение 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 при 750-700°С 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 при температуре 650±20°C с выдержкой и последующее охлаждение на воздухе, согласно изобретению высокий отпуск при температуре 650±20°C ведут с выдержкой 3,5-6,0 мин/мм толщины листа, после чего проводят стабилизирующий отпуск при температуре 450±10°C с выдержкой 4,0-10,0 час с последующим охлаждением до температуры 250±20°C со скоростью 100-200°C/час, далее до температуры 150±20°C со скоростью не более 40°C/час с последующим охлаждением на воздухе.

Как установлено исследованиями, осуществляемый высокий отпуск в диапазоне температур 650±20°C с охлаждением на воздухе приводит к образованию в стали 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 3,5-6,0 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 450±10°C с выдержкой 4,0-10,0 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. Однако в процессе нагрева при отпуске стали до температуры 650±20°C 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 450±10°C в течение 4,0-10,0 час происходят выделение и коагуляция третичного цементита, что приводит к повышению хладостойкости листового проката (таблица 2).

При температуре ниже 450°C выделившиеся мелкие частицы третичного цементита затрудняют движение дислокаций, что приводит к снижению ударной вязкости при отрицательных температурах.

При температуре выше 450°C происходит выделение мелких тугоплавких карбидов хрома, ванадия и ниобия, что также приводит к снижению ударной вязкости.

Охлаждение от температуры 450°C до температуры 250°C целесообразно осуществлять со скоростью от 100 до 200°C/час. Высокая скорость охлаждения необходима для устранения предвыделений третичного цементита в процессе охлаждения. Дальнейшее охлаждение листового проката при прохождении флокеночувствительной области необходимо выполнять с низкой скоростью, так как при быстром охлаждении (более 40°C/час) в диапазоне температур от 250 до 150°C возможно образование микронадрывов водородного типа, которые могут привести к резкому снижению ударной вязкости.

Пример выполнения заявленного способа.

На металлургическом производстве ОАО "Северсталь" была выплавлена низкоуглеродистая феррито-перлитная сталь марки 09Г2СА-А, химический состав которой приведен в табл.1.

Из этой стали был изготовлен листовой прокат толщиной 85 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 630 и 670°C с выдержкой из расчета 3,5; 4,5; 5,0 и 6,0 мин/мм с последующим охлаждением на воздухе. Затем эти заготовки были подвергнуты дополнительному отпуску при температурах 440 и 460°C с выдержкой 4,0; 6,0; 8,0 и 10,0 час с последующим охлаждением со скоростью 100-200°C/час до температуры 250°C, далее со скоростью не более 40°C/час до температуры 150°C, затем на воздухе.

Из этих заготовок были изготовлены ударные образцы с острым надрезом и испытаны при температуре -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 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 экономно легированной низкоуглеродистой феррито-перлитной стали за счет повышения ее хладостойкости.