УПРОЧНЕННЫЙ В ПОТОКЕ СТАНОВ ПРОКАТ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ МАЛОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ С КОНСТРУКТИВНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ВЫСОКИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Цри производстве массовых металлических конструкций в строительстве и машиностроении ежегодно расходуются миллионы тонн проката повышенной и высокой прочности с бт = 3005*600 Н/мм2,. обладающего комплексом высоких технологических и эксплуатационных свойств. В настоящее время такой прокат изготавливают из низколегированных сталей марок 09Г2С, 10Г2С1, 10ХСНД, 14Г2АФ, содержащих как минимум 1,5% Мп, часто с применением термической обработки (нормализация, улучшение и т.п.)» требующей применения специальных нагревов металла. В связи с постоянным ростом цен на легирующие и топливо, объективно связанным с истощением природных ресурсов, рассматриваемый прокат и конструкции из него в ближайшие годы могут стать экономически неэффективными, т.е. стать неконкурентоспособными по сравнению с конструкциями, выполненными из других материалов. В связи с изложенным возникла проблема создания качественных сталей с указанным. пределом прочности, с минимальным содержанием легирующих элементов (на уровне содержания технологических примесей), при производстве которых расходуется наименьшее количество энергии на упрочняющую обработку.

Как решение данной задачи может рассматриваться широкое освоение на предприятиях металлургической промышленности процессов термического упрочнения малоуглеродистых сталей в потоке станов с использованием теплоты прокатного нагрева.

В настоящее время на металлургических комбинатах созданы оригинальные установки для'упрочнения проката в самом широком сортаменте, в том числе в потоке высокопроизводительных станов [1—4].

Прежде всего процессы упрочнения следует разделять по способу нагрева перед у —> aпревращением. Еще часто применяется специальный нагрев с целью аустенизации, но уже созданы энергосберегающие технологии с использованием Теплоты прокатного нагре ва. Первая группа технологий хорошо отлажена на ряде комбинатов России. Прокат из малоуглеродистых сталей типа СтЗ, охлажденный в воде после аустенитизации с отдельного нагрева, с последующим высокотемпературным отпуском обладает невысоким комплексом механических свойств (<Г « 290 Н/мм2, KCU40 > 29 Дж/см2) и его использование в конструкциях бесперспективно. Много эффективнее оказались процессы упрочнения с использованием теплоты прокатного нагрева, которые в свою очередь можно разделить на две группы по характеру разупрочнения аустенита непосредственно перед у —> aпревращением. В одну группу можно выделить процессы упрочнения при охлаждении в воде стали, прокатываемой по обычным режимам, т.е. при этом перед у > aпревра щением с достаточной полнотой проходит статическая рекристаллизация аустенита. Такие процессы можно назвать термическим упрочнением с прокатного нагрева.

Вторую группу составляют схемы, в кбто рых реализуются эффекты термомеханической обработки. Фактически их следует классифицировать как контролируемую прокатку с последующим ускоренным охлаждением. При этом деформация нерекристаллизованного аустенита с обжатиями в чистовых клетях на «50 % (и выше) может проводиться и заканчиваться при температурах как несколько, выше ' А (высогз котемпературная контролируемая прокатка), так и ниже А —контролируемая прокатка в гз межфазной области. Режимы обработки при контролируемой прокатке диктуются стремлением получить в аустените при у —> aпревращении структуру динамической полигонизации.

Малоуглеродистая сталь охлаждается водой с повышенной (до 50 град/с) или высокой на поверхности проката (>1000 град/с) скоростью. В настоящее время разработаны специальные эффективные устройства для охлаждения в потоке станов для обоих случаев ох

лаждения [l, 2, 5]. Применение той или иной скорости охлаждения зависит от конкретных условий производства на стане. При ускоренном охлаждении в прокате из малоуглеродистой стали удается достичь уровня предела текучести 325—375 Н/мм2 как при термическом упрочнении в потоке станов, так и при контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением. В случае высокоскоростного охлаждения поверхности проката удается достичь на малоуглеродистой стали <гт « 550 Н/мм2. Для обеспечения требуемой высокой ударной вязкости проката необходимо провести высокотемпературный отпуск [6], который в потоке станов технологически может проводиться цо самым различным схемам — как ускоренный отпуск в нормализационных печах, а также за счет запасенной теплоты прокатного нагрева.

В толстоЛистовом прокате при повышенной скорости охлаждения легко выполняются требования по механическим свойствам при растяжении, предъявляемые к сталям повышенной прочности С345 и даже С375, в частности величина предела текучести находится на уровне 325—375 Н/мм2 в зависимости от толщины. Т.е. на малоуглеродистой и нелегированной стали достигаются свойства, характерные для низколегированных горячекатаных сталей ферритоперлитного класса с марганцем (например, 12Г1С), а также более легированных (например, 15ХСНД).

При отрицательной температуре, по которой в первом приближении судят о хладо стойкости стали, рассматриваемый прокат толщиной до 10 мм включительно имеет гарантии по величине KCU"70, что соответствует лучшим сортам хладостойких низколегированных сталей, а толщиной 10—30 мм — при температуре —40 °С низколегированной горячекатаной стали.

Особо высокие свойства наблюдаются в упрочненном в потоке стана прокате из малоуглеродистых сталей при условии охлаждения поверхности с высокой скоростью. В этом случае достигается величина предела текучести как у сложнолегированных термически обработанных сталей высокой прочности: <гт = 400*600 Н/мм2 в сочетании с очень высокой ударной вязкостью. При этом наблюдается одновременное повышение как прочности, так и ударной вязкости (рис. 1), что связано с увеличением дисперсности ферритоце ментитной смеси в профилях.

Важное значение имеет оценка хладостой кости сварных соединений новых материалов. При исследованиях сварку проводили в диапазоне тепловложений, характерных для реальных технологий, с использованием материалов, обычных при сварке сталей повышенной и высокой прочности.

Прежде всего следует заметить, что максимальная твердость в зоне термического влияния сварки (ЗТВ) исследуемых сталей даже при наиболее жестких режимах не превышает 250 HV, что исключает опасность склонности металла к образованию холодных трещин при сварке и выгодно отличает новые стали от низколегированных аналогичной прочности.

Хладостойкость металла ЗТВ оценивалась при испытании на ударный изгиб образцов с Uобразным надрезом. Результаты испытаний показывают, что ударная вязкость металла околошовной зоны достаточно высока и в худшем случае находится в поле разброса величин КCU основного металла. Аналогичный результат получен при оценке волокна в изломах ударных образцов.

Термически упрочненные с прокатного нагрева листы толщиной 16—18 мм из стали СтЗсп, испытанные на крупных образцах (рис. 2), показали, что этот материал несколько превосходит нормализованную низколегированную сталь (например, 09Г2С):

При наличии в прокате конструктивной анизотропии наблюдается ряд необычных свойств сварных соединений. Так, имеет место неразупрочняемость при сварке упрочненных малоуглеродистых сталей до очень высоких значений прочностных характеристик (сгт = 450 Н/мм2) благодаря "протекторному" действию поверхностных прочных слоев металла [3]. В сварных соединениях из такого проката наблюдалось также необычно высокое сопротивление переменным нагрузкам, а также высокая способность гасить энергию колебаний [9], что существенно улучшает работу конструкций в условиях воздействий динамических нагрузок (например, сейсмических).

Получен новый класс сталей с повышенным и даже высоким уровнем свойств, типичным для низколегированных сталей. В случае обеспечения высоких свойств за счет конструктивной анизотропии и работы материала в конструкции вдоль направления прокатки (фасонные профили) самые высокие требования удовлетворяются даже при неполностью раскисленной стали СтЗпс. Сложнее обстоит дело в случае толстолистового проката. Установлено, что для обеспечения достаточно высокой вязкости в данном случае содержание вредных примесей в металле должно быть не на уровне малоуглеродистых сталей общего назначения (<0,050 % S; <0,050 % Р), а на уровне низколегированных сталей (<0,035 % S; <0,035 % Р). Улучшение свойств возможно при дополнительном микролегировании титаном и алюминием.

Изучались низколегированные стали с пониженным ' содержанием марганца > (до 0, 3—0,65%) и повышенным содержанием кремния (до 0,8—1,1 %), микролегированных титаном и алюминием. При упрочнении таких сталей в потоке станов также имела место высокая хладостойкость (например, в рулонах KCU"70 = 50 Дж/см2, KCV"40 = 35 Дж/см2) в сочетании с повышенной и высокой прочностью.

Упрочненный в потоке стана прокат из малоуглеродистых сталей может иметь повышенную и высокую прочность в сочетании с высокими эксплуатационными свойствами, в первую очередь с высокой хладостойкостью. Перспективным материалом для получения высокого комплекса свойств являются малоуглеродистые стали с повышенным содержанием кремния, микролегированные недорогими нитридами титана и алюминия.

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