Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В СТАЛИ С 3 % КРЕМНИЯ В ПРОЦЕССЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Проанализирован процесс структурообразования при нагреве непрерывнолитых и полученных из слитка слябов. Показано влияние литой структуры и состава микросегрегаций на образование гаммафазы в феррите как при нагреве, так и при последующем охлаждении. Доказано, что механизм гаммаальфапревращения различен при термической обработке непрерывнолитых и классических слябов. Использованы различные металлографические методы, включая растровую, просвечивающую микроскопии, а также микрорентгеноспектральный анализ

В связи с переходом на непрерывную разливку установлено ухудшение конечных электромагнитных свойств непрерывнолитых трансформаторных сталей при использовании классической термодеформационной обработки горяче и холоднокатаных полос по сравнению со свойствами полос, полученных из сдитков [1]. Одним из основных первоначальных различий между непрерывнолитыми слябами и слябами, полученными из слитков (классическими), является различие в структуре, микроструктуре и состоянии твердого раствора. В то время как исходная литая структура слитка при деформации устраняется в процессе рекристаллизации, в непрерывнолитом слябе литая структура и неоднородности, связанные с микросегрегациями, сохраняются. Одним из наиболее важных факторов образования оптимальной текстуры является распределение ферритных зерен по размерам, а также морфология и количество гаммафазы в соответствующий момент термомеханической обработки [2, 3]. В этой связи необходимо было провести исследование влияния литой структуры на развитие структуры и текстуры в процессе горячего деформирования и, по возможности, устранить ее вредное влияние на наиболее ранней стадии.

Методика эксперимента

Для проведения исследования были отобраны образцы от непрерывнолитого сляба толщиной 200 мм, а также от сляба, полученного из слитка. Химический состав исследованных материалов представлен в таблице. Образцы отбирали равномерно по слябу. В работе использовали три режима термической обработки образцов (рис. 1). Первый режим (рис. 1, а) — нагрев до соответствующей температуры и после определенной выдержки интенсивное охлаждение водой. Целью дайной части работы являлось установление температурной зависимости количества и морфологии гаммафазы, а также анализ термической устойчивости частиц A1N. Второй режим (рис. 1, б) — нагрев до температуры tl с последующим охлаждением и выдержкой при температуре t2 в течение соответствующего времени с последующим охлаждением в воле. Целью этой части работы было определение характера повторного превращения гаммафазы в процессе охлаждения. Третий режим (рис. 1, в)— нагрев до температуры 1280 °С, выдержка в течение 3 ч, охлаждение со скоростью 1°С/с.

Отдельные образцы подвергали металлографическим исследованиям микроструктуры, субструктуры и микросегрегаций. Для этого были подобраны и использованы три различных метода травления: на структуру, микроструктуру и сегрегации.

Характер распределения частиц на основе A1N был изучен с помощью электронной микроскопии с Использованием метода угольных экстракционных реплик исходного материала и после нагрева его до температуры 1200 °С. Микроанализ сегрегаций проведен с помощью микрозонда в точке и по линии с использованием волновой рентгеновской дифракции.

Металлографические исследования структуры слябов

Макроструктура литого состояния непрерывнолитых слябов представлена на рис. 2. Хорошо различаются три типа структуры по толщине сляба. В приповерхностной области наблюдается зона толщиной 1 см, состоящая из мелких кристаллов размером 2—5 мм. Вторая зона состоит из крупных столбчатых кристаллов длиной 5—8 см. Е центральной части расположена зона шириной приблизительно 3 см однородных кристаллов размером 5—10 мм.

Микроструктура непрерывнолитого сляба была подробно исследована на образцах размерами 2x2 см, содержащих 10—20 исходных зерен литой структуры. Показано, что зона столбчатой структуры состоит из равномерно распределенных участков перлита, расположенных внутри зерен (рис. 3). Некоторые зерна' феррита, расположенные между перлитом, имеют низкую плотность дислокаций по сравнению с ферритом, полученным из расплава. В соответствии с литературными данными [l] можно считать установленным, что эта структура сформирована после распада аустенита, когда образуются ферритные зерна с большеугловой разориентировкой границ и колоний перлита. Такой тип микроструктуры характерен для всего поперечного сечения сляба, особенно в области вытянутых столбчатых кристаллов. При более детальном изучении распределения цементитных частиц была обнаружена сетчатая структура. С помощью травления для выявления субструктуры при использовании метода световой интерференции авторам удалось выявить субзерна, на границах которых преимущественно выделялись це ментитные частицы в процессе первичного охлаждения феррита (рис. 4). Одной из возможных причин их образования является частичная полигонизация зерен при деформации сляба в процессе непрерывной разливки.

Исходная структура классического сляба представлена на рис. 5. Исходны^ зерна литой структуры вытянуты в направлении прокатки. Внутри этих зерен в процессе рекристаллизации образуются новые зерна. На участках исходных границ зерен литой структуры наблюдается сетка мелких ферритных зерен в сочетании с перлитом. Эти зерна появились в результате распада участков аустенита в процессе охлаждения.

Исследования структуры материала в состоянии после нагрева

Образцы непрерывнолитого сляба после термической обработки по режиму (1а) при давления в нитале и состоящая из столбчатых кристаллов, после нагрева при температуре 1150 °С, температурах нагрева 1100, 1150, 1200 и 1280 °С, выдержке 60 мин и Охлаждении в воду исследовали металлографически с использованием трех различных методов травления. На рис. 6 представлена структура подповерхностного слоя, выявленная X помощью выдержке 60 мин. Ферритно перлитная структура образовалась в результате распада аустенита. Рисунок демонстрирует направленность распределения ферритно перлитной структуры от границ исходных зерен литой структуры. При температуре нагрева выше 1200 °С ферритноперлитные зерна начинают глобуляризироваться (рис. 7), при более высоких температурах заметно снижение доли исходных аустенитных зерен. На рис. 8 представлена субструктура перлитных колоний в исследуемых сталях. Их овальные очертания совпадают с очертанием зерен перлита на рис. 7. Наблюдаемая система субзерен, вероятно, связана с процессом полигонизации. Аналогичную структуру наблюдали в центральной по толщине части сляба. С повышением температуры термической обработки до 1300 °С (выдержка 30 мин) объемная доля перлита существенно уменьшается. Это означает, что при температуре 1300 °С доля аустенита незначительна.

После нагрева до температуры 1100 °С (рис. 9) структура классического сляба аналогична исходному состоянию, показанному на рис. 5, однако доля перлита увеличивается.

При повышении температуры нагрева происходит гомогенизация рекристаллизованной структуры путем роста зерен, а доля перлита начинает уменьшаться. На рис. 10 представлена структура после нагрева при температуре 1300 °С. Границы зерен прямые и образуют тройной стык с уголком порядка 120°. Средний размер зерен составляет 930 мкм. Перлита практически не наблюдается, что подтверждает наличие малой объемной доли аустенита при нагреве.

При сравнении структурных изменений, происходящих в процессе нагрева непрерывнолитых и классических слябов, установлены следующие основные различия:

1. Исходная структура классических слябов (см. рис. 5) в процессе нагрева до температуры 1300 °С (см. рис. 10) в результате рекристаллизационных изменений представляет собой равноосные зерна со средним размером 930 мкм. Соседние с аустенитными зерна феррита претерпели рекристаллизацию и имеют низкую плотность дислокаций. Таким образом, поверхность раздела феррита и аустенита перемещается внутрь аустенитных зерен. Ни на одной из стадий нагрева в классических слябах образования субзерен не наблюдали.
2. В случае нагрева непрерывнолитого сляба до температуры выше 1200 °С в участках уменьшающейся доли аустенита образуются мелкие зерна феррита. Различный механизм превращения аустенита в феррит, возможно, связан с противоположным направлением движущих сил перемещения границы. В непрерывнолитом слябе рост превращенных ферритных зерен происходит в результате высокой плотности дислокаций соседних зерен.

Электронномикроскопическое исследование дисперсных частиц

Оптимизация нагрева слябов трансформаторных сталей в основном связана с необходимостью растворения частиц A1N, чтобы на следующих стадиях обработки алюминий мог в виде частиц других типов служить ингибитором или регулятором процессов рекристаллизации при образовании текстуры.

В образцах в состоянии поставки наблюдали частицы в виде дискретных ламелей, а также в форме стержней, кристаллографически и по морфологии определенные как A1N. Эти частицы распределены неравномерно, преимущественно в виде кластеров. Средняя длина этих частиц около 10 мкм, а средняя толщина около Змкм. При нагреве образцов до температуры 1200 °С такие частицы практически отсутствовали. Этот факт противоречит теоретическим расчетам температуры равновесной растворимости A1N при данных концентрациях алюминия и азота, сделанным различными авторами [4, 5].

Исследование микросегрегаций

Второй немаловажной* причиной необходимости оптимизации температуры нагрева является гомогенизация твердого раствора и устранение Мйкросегрегации легирующих элементов. Аэторов заинтересовало, в какой степени исследуемые процессы нагрева влияют на состояние микросегрегаций. С этой целью был проведен металлографический анализ образцов, травленых для выявления микросегрегаций, а также микрорентгеноспектральный анализ.

На рис. 11 представлены фотографии образцов непрерывнолитого сляба в исходном состоянии. Образцы травили с применением специального реактива с целью выявления

Было проведено исследование формирования | структуры ° и микроструктуры в процессе нагрева, а также последующего охлаждения как непрерывнолитых, так и полученных из слитка рис. 14 слябов трансформаторной стали. Наиболее важными результатами являются следующие.

1. Обнаружены принципиально различные механизмы образования феррита в процессе фгрева непрерывнолитых и классических сля бо$. Причина этих различий заключается в исходной структуре. Микроструктура слябов и характер аустенитноферритного превращения при нагреве выше образования максимального количества аустенита связаны с этой структурой. Дендритная микроструктура непрерывнолитого сляба характеризуется интенсивным сравнительно гомогенным распределением микросегрегаций, а также повышенной плотностью дефектов решетки по сравнению с классическим слябом. Аустенитные зерна образуются на местах микросегрегаций с повышенным содержанием углерода. При повышении температуры нагрева аустенитные зерна опять превращаются в ферригные. Эти зерна имеют уже кристаллическую структуру с низкой плотностью дефектов. Разница плотностей дефектов решетки в этих содействующих зернах является движущей силой их роста. С помощью этого механизма исходная литая дендритная структура после нагрева превращается в мелкозернистую структуру. После нагрева до температуры 1280 °С и выдержки в течение 3 ч средний размер зерен составляет 130 мкм. Напротив, аустенитные зерна в классическом слябе превращаются в ферригные путем поглощения прилежащих рекристаллизованных ферритных зерен. В результате появляется структура объединенных зерен со средним размером приблизительно на порядок больше, чем в непрерывнолитом слябе.
2. Показано, что микросегрегации легирующих элементов имеют большое значение для аустенитного превращения при последующем охлаждении слябов. С помощью микроспект рального анализа обнаружено 10 и даже 30 кратное превышение содержания фосфора в зернах аустенита. Содержание As почти в четыре раза выше среднего, а содержание Мп лишь немного превышает среднее значение. С помощью комбинированного травления металлографически показана связь между распределением микросегрегаций и повторным образованием аустенита в процессе охлаждения феррита.
3. В результате проведенных исследований показана положительная роль увеличения времени выдержки для устранения вредного влияния микросегрегаций на конечную (после охлаждения) структуру сляба.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994

Экспертиза

на главную