4.4 Выбор рациональных температурно-деформационных режимов прокатки полос на непрерывном продольно-клиновом стане

4.4.1 Материалы и методика эксперимента

Прокатку полос произвели на укрупненном продольно-клиновом стане новой конструкции (рисунок 4.13). Для проведения лабораторных экспериментов использовали полосы длиной 200 мм и сечением 4×150 мм из стали марки Ст3сп, вырезанные электроискровой резкой из горячекатаного листа в состоянии поставки. Эти полосы нагревали в печи со скоростью 20^оС/мин до температур, представленных в таблице 4.3, и выдерживали 30 мин. Общее время аустенизации (≈ 40 мин) обеспечивало полную гомогенизацию аустенита. При проведении данного эксперимента варьировали режимы обжатия, температуру прокатки (таблица 4.3).

1,2, 3 – четырехвалковые клети без нажимного устройства;

4, 5 – четырехвалковые клети с нажимным устройством

Рисунок 4.13 – Пятиклетьевой продольно-клиновой стан

После нагрева и в процессе прокатки одноканальным прибором для измерения температуры Testo 925 (Testo AG, Germany) замеряли температуры, с помощью быстродействующих и надежных зондов термопар (зонд термопара Тип К (NiCr-Ni)). Измеряемый диапазон температур от 50 до +1100⁰С. Погрешности: - 40…+ 900⁰С - ±(0,5⁰С+0,3% от измеренного значения), - 50…- 40, + 900…+1100⁰С - ±(0,7⁰С+0,5% от измеренного значения). Разрешение: 0,1⁰С (-50 до +199,9⁰С), 1⁰С (в остальном диапазоне измерения).

После проведения эксперимента вырезали образцы для структурного исследования и оценки механических свойств.

Металлографический анализ был проведен на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axiovert-200 Mat при увеличениях 200, 500 и 1000 крат. Обработка изображений производилась в программе ВидеоТесТ «Металл 1.0», а также с использованием энергодисперсного спектрометра JNCA ENERGY (Англия). Количественный анализ параметров дефектной субструктуры и фазовый анализ осуществляли стандартными методами (см. главу 2).

Таблица 4.3 – План эксперимента

Варианты	Температура нагрева, оС	Единичное обжатие в клети, %					Время охлаждения на воздухе, с	Время принудительного водяного охлаждения, с	Время охлаждения на воздухе, с
		№1	№2	№3	№4	№5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	1100 1100 1100 1000 1000 1000 950 950 950 900 900 900	20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20	20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20	20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20	15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15	10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10	7 2 3 7 2 3 7 2 3 7 2 3	0 3 2 0 3 2 0 3 2 0 3 2	0 2 2 0 2 2 0 2 2 0 2 2

Определение механических свойств стали Ст3сп после прокатки осуществляли на автоматизированной установке МВ-01м, позволяющей проводить механические испытания на изготовленных микрошлифах и оперативно оценивать характеристики прочности и пластичности без изготовления образцов на растяжение [111]. Экспериментальную работу на приборе производили следующим образом. Измерительную головку устанавливали в нижнем положении. На подъемный столик устанавливали микрошлиф и вращением столика прижимали его к инденторной головке до соприкосновения шарика с поверхностью микрошлифа. Индикатор нагрузки при этом устанавливался на нуль. Затем с помощью клавиатуры ПЭВМ входили в каталог «ISPYTAN DAT» и запускали программу считывания и записи результатов регистрации массива «Р - t» и «σ – δ».

4.4.2 Качество тонких полос, прокатанных на продольно-клиновом стане

Результаты исследования распределения температур после прокатки в каждой клети представлены в таблице 4.4, из которой видно, что температура полосы при переходе от одной клети к другой падает, при этом с понижением температуры прокатка в последних клетях заканчивается в аустенитно-ферритной (варианты 4 – 9) или ферритно-перлитной области (варианты 10 – 12).

Таблица 4.4 – Температурные условия опытной прокатки

Темпера-тура нагрева	Температура заготовки после прокатки в клети № (0С)					Температура полосы после охлажде-ния
	1	2	3	4	5
1100 ±6,4	1062 ±5,3	1037 ±5,4	992 ±5,7	983 ±6,8	896±5,28	862±4,8
1100 ±5,6	1074 ±5,4	1053±5,8	997±5,9	984±6,3	891±6,16	717±3,63
1100±5,8	1068±3,7	1048±3,9	993±3,8	976±3,4	885±3,16	742±2,59
1000±6,1	963±3,16	923±3,27	879±2,6	869±2,6	847±2,61	828±3,49
1000±5,6	962±2,74	919±2,62	884±2,7	859±2,9	835±2,72	616±2,46
1000±5,2	966±2,92	926±2,91	887±2,5	861±2,8	847±2,45	648±3,27
950±4,8	919±2,83	888±2,72	867±2,3	838±2,3	803±2,63	761±4,65
950±4,9	913±2,70	883±2,65	861±2,7	827±2,7	794±2,81	547±2,52
950±3,6	918±2,29	882±2,69	857±2,8	822±2,8	791±2,48	568±3,38
900±3,1	872±2,47	858±2,39	813±2,5	791±2,4	758±2,38	726±2,49
900±2,2	871±2,44	851±2,53	818±2,4	781±2,3	738±2,41	513±3,22
900±2,8	864±2,25	838±2,82	829±2,2	784±2,5	747±2,62	528±2,51

Исследование образцов стали Ст3сп, прокатанных по вариантам 1, 4, 7 и 10 и охлажденных на воздухе показало, что:

- полосы, прокатанные по варианту 1, имеют структуру крупного феррита с размерами 60 – 80 мкм, толстопластинчатого перлита, состоящего из чередующихся пластин феррита и цементита, со средним межпластинчатым расстоянием n = 0,8 – 0,98 мкм. Размер колоний грубопластинчатого перлита достигает 62 – 90 мкм (рисунок 4.14, а);

- прокатка и охлаждение полос по варианту 4 приводит к формированию структуры пластинчатого перлита с межпластинчатым расстоянием n = 0,52 – 0,73 мкм и размерами колонии 40 – 59 мкм. Структура состоит из мелкого феррита, размерами 28 – 32 мкм, и избыточного цементита 3 – 4 балла (рисунок 4.14,б);

- структуры полос, деформированные и охлажденные по вариантам 7 и 10, имеют грубопластинчатый перлит с межпластичатым расстоянием n = 0,72 – 0,91 мкм и размерами колонии 67 – 94 мкм, а также полосчатый феррит размером 43 – 135 мкм и избыточный цементит баллом 2 – 3 (рисунок 4.15, а ,б).

Образование крупнозернистой структуры при прокатке и охлаждении по варианту 1 можно объяснить созданием условий для прохождения полной первичной рекристаллизации в деформированной аустенитной матрице при высокотемпературной прокатке, а также увеличением резмеров аустенитных зерен при высокой температуре. Известно, что чем больше размер исходного аустенитного зерна, тем крупнее наследуемая структура феррит + перлит.

а) б)

Рисунок 4.14 – Микроструктура стали Ст3сп, прокатанная

по варианту 1 (а) и 4 (б)

а) б)

Рисунок 4.15 – Микроструктура стали Ст3сп, прокатанная

по варианту 7 (а) и 10 (б)

Наличие крупных зерен при прокатке и охлаждении по вариантам №7 и 10 можно объяснить градиентом наклепа аустенитных и ферритных зерен по всему сечению полосы при пониженной температуре деформации. При медленном охлаждении рекристаллизация в условиях такой градации наклепа вызывает усиленный рост зерна по сечению полосы.

Формирование сравнительно мелкозернистой структуры при прокатке и охлаждении полос по варианту №4 можно пояснить прохождением первичной рекристаллизаци в аустенитной матрице и наследованием мелкозернистой структуры феррит + перлит металлом при медленном охлаждении. Однако величина цементитных выделений соответствует баллам 3 – 4, что является нерациональным.

По результатам исследования структуры полос, прокатанных по вариантам №2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12 и охлажденных на воздухе и в воде, установили:

- после прокатки и охлаждения по вариантам №2 и 3, из-за прохождения полной первичной рекристаллизации в аустенитной матрице, а также увеличения размеров аустенитных зерен при высокой температуре, по сечению полосы образуется крупнозернистая структура феррит + перлит с размером зерна 90 – 125 мкм. Анализ структуры показывает, что после охлаждения наблюдается сфероидизация перлита, феррита и избыточного цементита. При этом размер выделенного цементита равняется 3-5 баллам (рисунок 4.16, а, б);

- равномерная мелкозернистая по толщине полос структура получается при использовании вариантов №5 и 6. Из анализируемых структур следует, что полосы, прокатанные и охлажденные по вариантам 5 и 6, имеют структуру феррит + перлит с размером зерна 8 – 16 мкм. Снижение температуры полос до температуры 610 – 640^оС при ускоренном охлаждении полосы в температурном интервале интенсивного выделения цементита (600 – 700^оС) способствует образованию очень мелких выделений цементита (балл 2 – 3) (рисунок 4.17,а, б);

а) б)

Рисунок 4.16 – Микроструктура стали Ст3сп, прокатанная

по варианту 2 (а) и 3 (б)

- анализ структуры полос, прокатанных по вариантам 8 – 9, свидетельствует, о том, что прокатка в аустенитно-ферритной области и охлаждение на воздухе и в воде приводит к формированию тонкопластинчатого перлита с межпластинчатым расстоянием n = 0,23 – 0,33мкм и размерами колонии 15 – 36 мкм. При температурах окончания ускоренного охлаждения 540 – 580^оС по границам зерен феррита образуются мелкие выделения цементита (балл 2 – 3). По толщине полосы зерна феррита имеют неправильную форму с плохо очерченными границами и различный размер (12 – 42 мкм) (рисунок 4.18,а, б);

- снижение температуры прокатки в последних клетях до температуры ферритно-перлитной области (варианты 11 и 12), а также последующее охлаждение на воздухе и в воде приводит также к образованию тонкопластинчатого перлита с межпластинчатым расстоянием n = 0,13 – 0,24 мкм и размерами колонии 12 – 27 мкм. Кроме того, происходит уменьшение размеров цементита (балл 1 – 2) и формируется феррит неправильной формы с плохо очерченными границами, а также с различными размерами (10 – 25 мкм) (рисунок 4.19,а, б).

а) б)

Рисунок 4.17 – Микроструктура стали Ст3сп, прокатанной

по варианту 5 (а) и 6 (б)

а) б)

Рисунок 4.18 – Микроструктура стали Ст3сп, прокатанной

по варианту 8 (а) и 9 (б)

а) б)

Рисунок 4.19 – Микроструктура стали Ст3сп, прокатанной

по варианту 11 (а) и 12 (б)

По результатам исследования механических свойств установили, что:

• после прокатки при высокой температуре (варианты №2 и 3) и медленном охлаждении (варианты №1, 4, 7 и 10) поверхность полосы имеет низкие значения предела текучести, временного сопротивления и твердости (HB = 132,0 – 143,4; HRC = 11,5 – 12,6; HV = 122,9 – 134,4; HRV = 62,5 – 66,4; σ_0,2 = 284,4 – 253,7 МПа; σ_в = 472,4 – 435,0 МПа; δ_р = 0,1602 – 0,1778);

• на поверхности полос толщиной 1,6 мм возможно получить механические свойства без признаков видманштетта, если использовать прокатку и охлаждение по вариантам №5 и 6 (HB = 80,2 – 107,1; HRC = 6,5 – 9,0; HV = 71,8 – 98,1; HRV = 43,4 – 53,6; σ_0,2 = 127,6 – 167,2 МПа; σ_в = 264,5 – 352,9 МПа; δ_р = 0,2312 – 0,3322);

• при использовании низкой температуры прокатки и быстрого охлаждения (варианты №8, 9, 11 и 12) поверхность полосы имеет механические свойства с признаками видманштетта (HB = 154,9 – 168,9; HRC = 13,8 – 15,3; HV = 160,4 – 146,1; HRV = 70,2 – 74,8; σ_0,2 = 316,6 – 356,7 МПа; σ_в = 510,6 – 556,7 МПа; δ_р = 0,1303 – 0,1453).