научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ НАГРЕВЕ СЛЯБОВ ИЗ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ НИОБИЕМ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ НАГРЕВЕ СЛЯБОВ ИЗ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ НИОБИЕМ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ»

УДК 669.017; 669.046.4; 621.77.04

ФОРМИРОВАНИЕ АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ НАГРЕВЕ СЛЯБОВ ИЗ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ НИОБИЕМ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ*

© Частухин Андрей Владимирович1, e-mail: chastuhin_av@vsw.ru; Рингинен Дмитрий Александрович1, e-mail: ringinen_da@vsw.ru; Хадеев Григорий Евгеньевич1, канд. техн. наук, e-mail: hadeev_ge@vsw.ru; Эфрон Леонид Иосифович2, д-р техн. наук, e-mail: LEfron@omk.ru

1 АО «Выксунский металлургический завод». Россия, Нижегородская обл., г. Выкса

2 АО «Объединенная металлургическая компания». Россия, Москва Статья поступила 13.03.2015 г.

Исследовано влияние температуры нагрева и длительности выдержки слябов в томильной зоне печи на состояние структуры аустенита микролегированных сталей различной категории прочности. Выявлено, что после нагрева и выдержки во всех сталях возможно формирование одной из трех типов аустенитной структуры: мелкозернистой, разнозернистой или крупнозернистой. Причиной образования структуры различных типов является аномальный рост отдельных зерен в результате растворения дисперсных частиц карбонитрида ниобия. Показано, что начало процесса аномального роста зерен зависит от температуры нагрева, времени выдержки и химического состава сталей. Предложен эффективный метод расчета температуры нагрева и времени выдержки сляба в томильной зоне печи, обеспечивающие максимальное растворение включений карбонитрида ниобия без образования неоднородной структуры перед началом черновой стадии прокатки.

Ключевые слова: нагрев; трубная сталь; аустенит; рост зерна; ниобий; включения кар-бонитридов; ударная вязкость; доля вязкой составляющей.

Каждый технологический этап контролируемой прокатки (КП) выполняет определенную роль в формировании структуры металла и, таким образом, оказывает влияние на структурно-чувствительные свойства конечной продукции. Для микролегированных высокопрочных трубных сталей нагрев слябов является одним из важнейших этапов КП, так как в значительной степени определяет состав твердого раствора и однородность аустенитной структуры, от которой зависят такие свойства проката, как низкотемпературная ударная вязкость и доля вязкой составляющей в изломе [1-3].

Режим нагрева слябов под прокатку, с одной стороны, определяется технологическими ограничениями оборудования [4-6], а с другой — необходимостью обеспечить желаемое состояние аустенита перед горячей прокаткой. Как было установлено в работе [7], при выборе температуры нагрева и длительности выдержки сляба в печи крайне важно учитывать возможность развития процесса аномального роста отдельных зерен в металле, приводящего к образованию разнозернистой структуры перед началом черновой прокатки. Это явление известно как вторичная рекристаллизация (ВР) [8, 9]. Также было показано сохранение неоднородности

аустенита даже после многократной горячей деформации [7]. В конечном итоге эта неоднородность приводит к снижению стабильности и общего уровня вязких свойств в листе. Последующий анализ частиц карбонитридных фаз в исследуемых образцах с применением сканирующей электронной микроскопии позволил выявить причину аномального роста отдельных зерен аустенита - сдерживание нормального их роста распределенными в структуре дисперсными частицами карбонитрида ниобия. Растворение включений приводит к снижению силы, тормозящей миграцию границ, и быстрому росту отдельных зерен. Это позволяет сделать предположение о влиянии на температуру начала аномального роста зерен химического состава стали, особенно содержания углерода, азота и микролегирующих элементов (МЛЭ). Упомянутое влияние выражается в изменении температуры растворения карбонитридов ниобия, определяющей температуру начала ВР [7, 10]. В таком случае для сталей различного химического состава температура начала аномального роста зерен может существенно отличаться.

В связи с этим при разработке технологии прокатки сталей различного химического состава необходимо назначать различный режим предварительного нагрева. А для определения допустимых параметров нагрева для стали конкретного химического состава необходимо повторять исследование эволюции структуры аустенита в ходе нагрева и строить карту структурных состояний. Одна-

*Исследования на просвечивающем микроскопе выполнены И.В.Лясоцким и Д.Л.Дьяконовым.

ко уже на первом этапе освоения технологии при выборе состава стали важно оценить температурный диапазон КП и его зависимость от содержания химических элементов. По этой причине целью настоящей работы были, во-первых, разработка нового метода назначения режимов нагрева слябов микролегированных трубных сталей категорий прочности Х70-Х100 и, во-вторых, создание для технологов простого инструмента, позволяющего быстро определять параметры нагрева в зависимости от химического состава стали.

Методика эксперимента. В качестве материала исследования были использованы стали классов прочности от Х70 до Х100 с содержанием, мас. %: С 0,06; 0,21-0,26; Мп 1,7-2,0; ЫЬ 0,040,07; Т 0,17-0,22 с добавками Мо, М, Сг и Си.

Изучение влияния состава стали на эволюцию структуры аустенита в ходе нагрева и выдержки литого металла проводили на образцах размерами 10x10x15 мм, которые вырезали из 1/4 толщины промышленного сляба. Образцы помещали в трубчатую электропечь ПТК-1,4-40 с контролируемой нейтральной атмосферой (аргон) для предотвращения окисления, нагревали до 11001250 °С (среднее время нагрева до указанных температур составляло 50 мин), выдерживали при каждой температуре в течение 30-150 мин и затем закаливали в воду. Для анализа структуры из всех образцов изготавливали шлифы, которые подвергали травлению в растворе пикриновой кислоты.

Состав, размеры и распределение частиц кар-бонитридов МЛЭ в структуре аустенита после закалки исследовали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Оценку состава частиц производили путем измерения межплоскостных расстояний по отражениям на микродифракционных картинах. Для всех исследованных сталей в программе ^егшоСак были рассчитаны температуры сольвуса карбонитри-

дов ниобия Tsыь(С,Ы).

Для сопоставления режимов нагрева использовали результаты испытаний на определение ударной вязкости и доли вязкой составляющей после ИПГ при низких температурах, которые были осуществлены в соответствии с ГОСТ 9454 и ГОСТ 30456 на образцах из промышленного проката сталей Х80-1 и Х80-2 толщиной 27,7 мм.

Результаты металлографического анализа шлифов показали, что для всех исследованных сталей после испытания характерны три состояния аустенитной структуры: мелкозернистая со средним размером зерна около 60 мкм (рис. 1, а), разнозернистая в виде нескольких огромных зерен (1-6 мм) в относительно мелкозернистой матрице (рис. 1, б) и крупнозернистая, полностью состоящая из крупных зерен (рис. 1, в). То или иное состояние структуры определяется как температурой нагрева, так и продолжительностью выдержки при этой температуре.

Для дальнейшего анализа результаты эксперимента были обобщены в виде карт структурных состояний аустенита (рис. 2), которые описывают тип структуры в зависимости от температуры и времени выдержки. Хорошо видно, что каждой стали соответствует своя область разнозерни-стости. Между собой эти области различаются расположением по оси температур и шириной температурного интервала существования неоднородной структуры.

Как показал анализ образцов из сталей Х80-1 и Х100, характерной особенностью исходной структуры слябов является наличие малого количества крупных карбонитридных включений ярко выраженной дендритной формы. Эти включения существенно вытянуты вдоль направлений главных осей дендритов и могут достигать размеров 2-4 мкм (рис. 3). Из микродифракционных картин следует, что подобные включения состоят преимущественно из нитрида титана. Однако некоторые участки содержат также карбонитрид ниобия. Присутствуют и крупные включения нитрида ти-

Рис. 1. Различные типы аустенитной структуры в образцах стали Х100 после нагрева и выдержки в течение 90 мин:

а - однородная мелкозернистая (ТН = 1160 °С); б - разнозернистая (ТН = 1190 °С); в - однородная крупнозернистая (ТН = 1220 °С)

и 1260

Н

1240

§ 1220 Н

>8

3 1200 Н

<

н

| 1180 -

н и

& 1160 -

^

н

& 1140

^

с

3

£ 1120

и 1260

1240 -1220 -1200 -1180 -1160 -1140 -

£ 1120

Мелкозернистая

Х80-1

Время выдержки в томильной зоне печи

Время выдержки в томильной зоне печи

У 1260 н

£ 1240

си

I 1220 -I >8

3 1200 -I

1180 -

1160 -

ср 1140 с

3

£ 1120

^ Крупнозернистая

Разнозернистая/у/л//' ..........

.............................. ...........

Мелкозернистая

Х80-2

У 1260 н

Ц 1240 с

си X

1220

1200

§ 1180

н и

& 1160

н

ср 1140

^

с

3

$ 1120

Время выдержки в томильной зоне печи

Время выдержки в томильной зоне печи

Рис. 2. Карты структурного состояния исследованных сталей при нагреве и выдержке: а — Х70; б — Х80-1; в — Х80-2; г — Х100

.>"

, к,'

Рис. 3. Крупное дендритное включение в исходной структуре сляба из стали Х100. Темное поле, х15 000

Рис. 4. Отдельное «звездообразное» включение в исходной структуре сляба из стали Х100. Темное поле, х30 000

тана четкой прямоугольной формы, размеры которых достигают нескольких микрометров.

Кроме крупных дендритов в исходном слябе содержатся одиночные «звездообразные» включения размером около 0,5 мкм (рис. 4), состоящие из нитрида титана в центральной части и карбонитрида ниобия в «лучах», а также частицы прямоугольной и сферической формы размерами 50—300 нм (рис. 5), состоящие в основном из нитрида титана. Еще один вид включений в исходной структуре сляба — дисперсные равномерно распределенные по объему (за исключением об-

Рис. 5. Частицы нитрида титана в исходной структуре сляба из стали Х80-2. Темное поле, х30 000

б

г

в

Рис. 6. Дисперсные частицы карбонитрида ниобия в исходной структуре сляба из стали Х100. Темное поле, х30 000

Рис. 7. Дисперсные частицы карбонитрида ниобия в образце из стали Х100 после выдержки при 1160 °С в течение 30 мин.

Темное поле, х30 000

ластей, примыкающих к дендритным включениям) частицы карбонитрида ниобия размерами 5-10 нм (рис. 4 и рис. 6).

Методом ПЭМ также были проанали

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком