Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению низкоуглеродистых сталей с заданными свойствами, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для изготовления крепежных деталей, таких как болты, шпильки, проволоки, ответственных элементов строительных конструкций.

Низколегированные и низкоуглеродистые стали, как наиболее дешевые, производят в больших масштабах, в связи с чем актуальной остается проблема получения указанных сталей с заданным комплексом свойств. В основном эти стали используют в горячекатаном состоянии. Как правило, они имеют феррито-перлитную структуру и недостаточную прочность.

Для получения материалов с хорошим соотношением механической прочности и пластичности используют метод равноканального углового прессования (РКУ-прессования), позволяющий достигать больших степеней деформации, приводящих к измельчению зерна без изменения сечения и формы заготовки.

Известен способ обработки стали, включающий РКУ-прессование заготовки из нержавеющей стали через два канала, пересекающихся под углом 90°, при повышенных температурах (порядка 450-500°С) при высоких давлениях, порядка 500-1000 МПа (РФ 2400321, опубл. 27.09.2010).

Способ позволяет улучшить механические свойства изделий из труднодеформируемых металлов, а также уменьшить их окисление при повышенных температурах РКУ-прессования.

Однако в низкоуглеродистых низколегированных сталях указанным способом не удается создать полностью зеренную структуру, что приводит к нестабильности механических свойств стали.

Известен способ обработки низкоуглеродистых сталей при холодном РКУ-прессовании с углом пересечения каналов 90° (Kim J., Kim I., Shin D.H. Development of deformation structures in low carbon steel by equal channel augular pressing // Scripta mater, 2001, V.45, p.421-426).

Указанным методом удается выполнить только 2-3 цикла деформации без разрушения заготовки, что недостаточно для получения развитой однородной зеренной структуры, а следовательно получения оптимального сочетания прочности и пластичности, стабильности физико-механических свойств.

Задачей изобретения является получение высокопрочной низкоуглеродистой, в том числе и низколегированной стали, с повышенной термической стабильностью.

Техническим результатом изобретения является получение у низкоуглеродистых низколегированных сталей оптимального сочетания прочности и пластичности и повышение стабильности механических свойств.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки низкоулеродистой стали, включающем РКУ-прессования при пересечении каналов под углом 90°, РКУ-прессованию подвергают низкоуглеродистую сталь с бейнитной структурой, РКУ-прессование проводят при температуре 300-400°С по маршруту В_с с истинной степенью деформации 2-4, после чего проводят отжиг при 400-600°С в течение времени, необходимого для получения зеренной структуры.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Исходная бейнитная структура, полученная закалкой низкоуглеродистой стали с высоких температур аустенитизации, имеет равномерное распределение дисперсных карбидов, высокую дисперсность продуктов превращения и плотность дислокации, вследствие чего обладает достаточно высокой механической прочностью.

Проведение РКУ-прессования заготовки из низкоуглеродистой стали с бейнитной структурой по маршруту B_c (с постоянным поворотом вокруг оси в одну сторону под угол 90°) при температуре 300-400°С с истинной степенью деформации 2-4 приводит к значительному изменению структурных элементов, преобразованию малоугловых границ зерен в большеугловые, к формированию частично субмикрокристаллической структуры.

Снижение температуры РКУ-прессования ниже 300°С не позволяет провести деформацию с истинной степенью 2-4 из-за разрушения заготовок.

Проведение РКУ-прессования выше 400°С приводит к формированию неоднородной зеренно-субзеренной структуры, которая обуславливает высокую прочность, но низкую ударную вязкость и неоднородность свойств по сечению материала.

Оптимальными значениями истинной степени деформации для низкоуглеродистых сталей с бейнитной структурой при РКУ-прессовании являются 2-4. Уменьшение истинной степени деформации при РКУ-прессовании ниже 2 не позволяет получить частично субмикрокристаллическую структуру с размером зерен около 200 нм и приводит к снижению прочности и стабильности механических свойств за счет образования преимущественно ячеистой структуры. Повышение истинной степени деформации выше 4 приводит к разрушению заготовок из низкоуглеродистой стали с бейнитной структурой.

Нагрев заготовки из низкоуглеродистой стали после РКУ-прессования до температуры 400-600°С обеспечивает получение однородной зеренной структуры, которая придает объемным материалам сочетание высокой прочности, пластичности и стабильности механических свойств.

Увеличение температуры нагрева выше 600°С приводит к увеличению размера зерна и снижению прочности. При нагреве ниже 400°С для структуры характерна зеренно-субзеренная неоднородность, что приводит к дестабилизации свойств в объеме материала.

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Низкоуглеродистую сталь Ст.10 с бейнитной струтурой, полученной закалкой с 920°С в воду, с размером зерна 14 мкм подвергали РКУ-прессованию при пересечении каналов под углом 90° по маршруту B_c при температуре 300°С с истинной степенью деформации 2,3.

Нагрев после РКУ-прессования осуществляли при 500°С с выдержкой 30 мин и охлаждением в воде.

Средний размер зерна стали после обработки составил 200 нм, предел прочности σ_в=800 МПа, предел текучести σ_0,2=785 МПа, относительное удлинение δ=13%. Структура однородная, что обеспечивает стабильность свойств материала.

Пример 2.

Низкоуглеродистую сталь 08Р с бейнитной структурой с размером зерна 13 мкм, полученной закалкой с 920°С в воду, подвергали РКУ-прессованию при пересечении каналов под углом 90° по маршруту B_c при температуре 350°С. Число циклов деформации составило 3 (□≈3,4). Нагрев после РКУ-прессования осуществляли при температуре 450°С в течение 30 мин с охлаждением в воду.

Средний размер зерна стали после РКУ-прессования и нагрева составляет 450 нм. Дисперсная и однородная структура стали обуславливает высокие прочностные свойства: предел прочности σ_в=910 МПа, предел текучести σ_0,2=840 МПа; и пластичность относительное удлинение δ=7-11%.

Пример 3.

Низкоуглеродистую сталь 10Г2ФТ со структурой бейнита, полученной нагревом при 925°С в течение 30 мин и охлаждением в воде, подвергали РКУ-прессованию при пересечении каналов под углом 90° по маршруту B_с при температуре 400°С и истинной степенью деформации 3,2. Затем образцы нагревали до температуры 600°С и выдерживали при этой температуре 10 мин.

После обработки сталь имела однородную субмикрокристаллическую структуру со средним размером зерна ~300 нм. Предел прочности σ_в=1020 МПа, предел текучести σ_0,2=1000 МПа; относительное удлинение δ=18%.

Таким образом, предложенный способ обработки низкоуглеродистых сталей позволяет создать в них ультрамелкозернистую однородную структуру со стабильными свойствами, прочностные характеристики сталей повышаются по сравнению с нормализованным состоянием более чем в 2 раза при достаточно высоком уровне пластичности.