Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства сортового проката

В металлургическом производстве финальная стадия формирования свойств сортового проката начинается с момента когда раскаленная заготовка покидает прокатный стан. В этот момент металл находится в высокотемпературном аустенитном состоянии — структуре, определяющей его способность к последующей трансформации. Именно скорость, с которой происходит отвод тепла от изделия в интервале температур от 950–800 °C до комнатной, предопределяет, какая именно комбинация фаз (феррит, перлит, бейнит или мартенсит) сформируется в готовом металлопрокате.

Понимание взаимосвязи между режимом охлаждения и конечными механическими свойствами является важным фактором. Например для проката предназначенного для сельского хозяйства требуется высокая абразивная стойкость, эта характеристика достигается за счет ускоренного охлаждения благодаря которому в структуре металла формируется большое количество твердых составляющих (мартенсит или бейнит). Если же детали должны подвергаться интенсивным динамическим нагрузкам, то в таком случае необходим вязкий металл с мелкозернистым перлитом или сорбитом, который получается в ходе медленного охлаждения.

Чтобы понять влияние скорости охлаждения, необходимо разобраться, что представляет собой аустенит (γ-железо). Это фаза стали, стабильная при высоких температурах (для углеродистых сталей выше 727 °C). В этом состоянии кристаллическая решетка металла обладает высокой растворимостью по отношению к углероду и легирующим элементам. Однако при охлаждении эта решетка перестраивается в более плотную и низкоэнергетическую α-форму (феррит), выталкивая излишки углерода в виде карбидов. Именно то, каким образом произойдет эта перестройка и определяет все последующие характеристики проката.

Ключевым понятием в металловедении выступает «диаграмма изотермического распада аустенита». На этих диаграммах отмечается время, необходимое для начала и завершения превращения при строго фиксированной температуре. Для понимания непрерывного охлаждения в реальных условиях такие кривые накладывают на график, где каждая кривая соответствует определенной скорости отвода тепла. Чем быстрее проходит интервал перлитного превращения (650–550 °C), тем меньше времени у атомов углерода на диффузию, и тем дисперснее (мельче) получается ферритно-цементная смесь.

На современных металлургических заводах внедрены три принципиально различных типа охлаждения готовой продукции: обычное (медленное), замедленное (регулируемое) и ускоренное (интенсивное). Выбор конкретной технологии диктуется, в первую очередь, химическим составом стали, требованиями к качеству поверхности и необходимым комплексом прочностных характеристик конечного проката.

• Обычное охлаждение на воздухе — это наиболее распространенный и наименее затратный метод. Горячий прокат (до 900–1000 °C) после резки поступает на стеллажи или холодильники открытого типа, где остывают на спокойном воздухе. Скорость охлаждения при этом не контролируется строго, но она относительно невысока. Такой режим обеспечивает получение феррито-перлитной структуры, что гарантирует хорошую пластичность и вязкость, подходящие для соответствующих конструкций и строительной арматуры обычного класса.
• Замедленное (регулируемое) охлаждение — этот метод применяется для легированных, инструментальных и высокоуглеродистых сталей. В этом случае прокат помещают в закрытые колодцы, термостаты или отапливаемы печи, где охлаждение происходит крайне медленно. Основная цель — снять внутренние напряжения после прокатки и предотвратить закалку на воздухе, которая могла бы привести к хрупкости.
• Ускоренное водяное или воздушно-водяное охлаждение — эта технология используется для получения высокопрочного проката без дорогостоящего микрорегулирования. Осуществляется путем обрызгивания горячей заготовки высокого давления или обдува увлажненным воздухом. Скорость охлаждения может достигать десятков и сотен градусов в секунду. Это позволяет получить бейнитную или мартенситную структуру изделия.

Диапазон скоростей охлаждения, применяемых в промышленности, простирается от долей градуса в минуту (замедленное охлаждение) до сотен градусов в секунду (закалка в воде). Каждому интервалу этих скоростей соответствует свой механизм превращения переохлажденного аустенита и определенный тип итоговой микроструктуры.

• Очень малые скорости (менее 0,1 °С/с) — атомы углерода и железа имеют достаточно времени для полной диффузии. Образуется равновесная (грубая) структура: для доэвтектоидных сталей — крупнозернистый феррит и пластинчатый перлит. Механические свойства: низкая твердость (около 130-180 HB для углеродистых сталей), но высокая пластичность (относительное удлинение до 25-30%). Это отожженное состояние, хорошо поддающееся механической обработке резанием.
• Средние скорости (от 1 до 30 °С/с) — диффузия углерода успевает пройти, но на более короткие расстояния. Формируются тонкодисперсные феррито-цементитные смеси — сорбит (при скоростях чуть ниже критической для перлита) и троостит. Эти структуры отличаются более высокими значениями предела прочности (σв до 800-1200 МПа) и предела текучести (σт) по сравнению с обычным перлитом, сохраняя при этом достаточную вязкость. Именно такие структуры характерны для термоупрочненной арматуры и рельсов после объемной закалки.
• Повышенные скорости (30 – 200 °С/с и выше для углеродистых сталей) — при таком быстром отводе тепла диффузионные процессы углерода практически полностью подавляются. В интервале температур 500 – 300 °C происходит так называемое «промежуточное превращение» с образованием бейнита — структуры, состоящей из пересыщенного твердого раствора углерода в феррите и мельчайших карбидных частиц. Бейнит обеспечивает уникальное сочетание высокой прочности (до 1500 МПа) и вязкости, превосходящей мартенсит. В области скоростей, превышающих критическую, реализуется бездиффузионный сдвиговый механизм, приводящий к формированию мартенсита — очень твердой, но хрупкой структуры.

Корреляция между скоростью охлаждения и итоговыми механическими характеристиками (прочностью, пластичностью, ударной вязкостью, твердостью) имеет четкую физическую основу. Повышение скорости охлаждения, как правило, увеличивает прочность и твердость, но одновременно снижает пластичность и сопротивление хрупкому разрушению.

В ходе металлургических экспериментов, для сталей 10Г2ФБ, 06ГБД и 15ХСАТЮД были получены следующие закономерности:

• Предел прочности (σв) — монотонно возрастает с увеличение скорости охлаждения. Например, при переходе от скоростей около 1 °С/с (формирование перлита и небольшого количества бейнита) к скоростям свыше 30 °С/с (активное образование мартенсита) предел прочности может увеличиться в 2-2,5 раза. Прирост прочности обусловлен уменьшением размера зерна феррита и карбидных частиц, а также возникновением внутренних напряжений в решетке мартенсита.
• Ударная вязкость (KCV и KCU) — наиболее сложная характеристика. В исследованных сталях при охлаждении со скоростью около 1 °С/с ударная вязкость KCV при -40°C резко падала (для стали 10Г2ФБ с 320 до 25 Дж/см²) из-за частичного растворения карбидных фаз. Однако при дальнейшем увеличении скорости (от 1 до 30 °С/с) вязкость вновь несколько повышалась, что связано с изменением морфологии бейнитной структуры от пластинчатой (склонной к хрупкому разрушению) к более вязкой. Максимальная вязкость часто достигается не при минимальных и не при максимальных скоростях, а в «золотой середине».
• Твердость — четко коррелирует с содержанием углерода в стали и долей мартенситной составляющей. Установлено, что зависимость твердости от скорости охлаждения в логарифмических координатах близка к линейной. Коэффициент наклона k в формуле H = h1 + k × ln(v) тем выше, чем больше концентрация углерода и легирующих элементов, увеличивающих прокаливаемость.

Если скорость охлаждения превышает критическую, то даже в низкоуглеродистой стали мартенситная составляющая практически не образуется, а преобладает бейнит, сохраняющий высокую вязкость. Это используется в производстве высокопрочных труб большого диаметра для магистральных газопроводов, работающих в условиях особо низких температур.