CC BY
28
УДК 620.186.8; 539.38; 548.53
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА КРИТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ
ПРИ ГОРЯЧЕЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
В.Н. Гадалов, В.В. Шкатов, Ю.В. Скрипкина, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов,
А. А. Калинин
Установлена зависимость критической деформации для динамической рекристаллизации в низколегированных сталях различного химического состава. Проанализирована усовершенствованная модель прогнозирования критической деформации при термомеханической рекристаллизации, оценивающая влияние химических компонентов сталей. Сделан анализ влияния химического состава сталей на величину критической деформации при термомеханической обработке. Установлено, что математическая модель может быть использована в системе автоматизированного управления структурой и свойствами сталей для прогноза условий развития динамической рекристаллизации и выбора оптимального химического и фазово-структурного состава сталей.
Ключевые слова горячая прокатка-рекристаллизация, динамическая рекристаллизация, метадинамическая рекристаллизация, критическая деформация, низко-легированнная сталь, химический состав, модель, кинетика, сталь 09Г2, прогноз, микроструктура проката-структура проката-свойства проката, термомеханическая деформация, станы горячей прокатки-станы 2000.
К металлопродукции, предъявляются все более высокие требования к структуре и механическим свойствам горячекатаных сталей. Основным направлением повышения уровня структуры и механических свойств горячекатаных полосовых сталей, производимых на широкополосных станах, является целенаправленное управление формированием структуры металла горячей прокаткой [1-10].
При этом динамическая рекристаллизация получает развитие непосредственно в ходе горячей пластической деформации [1]. Критическая деформация при динамической рекристаллизации ес - особый параметр, используемый при анализе закономерностей структурообразования стали и разработке режимов деформации сталей в клетях широкополосного стана горячей прокатки. В литературе имеются эмпирические зависимости для отдельных групп марок сталей (углеродистые и низколегированные, низколегированные с карбонитридным упрочнением), связывающие величину ес с параметрами горячей деформации (скорость, температура деформации) и размером зерна аустенита в исходной структуре.
Недостатком этих моделей является отсутствие учета изменения химического состава в марках сталей.
Главной особенностью статической и динамической рекристаллизации является перемещение высокоугловых поверхностей раздела фаз и границ зерен. Движущей силой рекристаллизации является накопленная при деформации энергия дефектов кристаллической решетки металлического сплава [2]. Физическая природа процессов статической и динамической рекристаллизации одинакова. Различие состоит в условиях реализа-
346
ции этих процессов: после завершения деформации или в ходе деформации при монотонном росте степени деформации. Можно предположить, что кинетические особенности статической и динамической рекристаллизации также обусловлены различием в условиях реализации этих процессов и, следовательно, они могут быть оценены расчетным путем. Авторами работ [3, 4] предложена модель прогнозирования критической деформации для динамической рекристаллизации, учитывающая кинетику процесса статической рекристаллизации. Установлено адекватное соответствие результатов расчета и эксперимента для условий горячей деформации углеродистых и низколегированных сталей.
Разработана усовершенствованная модель прогнозирования критической деформации для динамической рекристаллизации, позволяющая учитывать содержание химических элементов в стали. Выполнен анализ влияния химического состава низколегированных сталей на величину вс при горячей деформации.
В основу расчета динамической рекристаллизации по данным о статической рекристаллизации положено «правило аддитивности». Кривая изменения деформации представлялась в виде совокупности ступенек малой длительности с постоянной степенью деформации. При этом допускали, что на г-й ступени в течение времени Дтг деформация постоянна и равна £г. На (Ж )-й ступени деформация мгновенно возрастает до ег+1 и поддерживается постоянной в течение времени Лтг+1= Дтг. На каждой из ступеней по уравнению Аврами-Джонсона-Мела-Колмогорова, описывающему кинетику статической рекристаллизации в зависимости от параметров деформации и размера исходного зерна аустенита, рассчитывалась степень рекристаллизации, при этом в расчете на последующем шаге учитывалась степень развития процесса на предыдущем шаге.
Для прогноза кинетики статической рекристаллизации использовали уравнение Аврами-Джонсона-Мела-Колмогорова вида:
где Х81^ - степень статической рекристаллизации, доли; т0,5 ~ время, за которое рекристаллизация проходит на 50% при заданных параметрах деформации и размере исходного (до деформации) зерна аустенита, с; т - текущее время, с; В= - 1п 0,5; п - коэффициент.
С целью реализация возможности оценки влияния химического состава стали на кинетику рекристаллизации для расчета т0,5 применяли полученную авторами [5] зависимость, учитывающую параметры термомеханической деформации и содержание химических элементов в стали:
Т0^^3754а0-ехр(-7,869а0^гес)8-4^о-О16%-0^1.09ехр^; (2)
где е - истинная деформация, доли; ё - скорость деформации, с-1; Т - температура, К; (¡о = размер зерна аустенита перед деформацией, мкм.
Энергия активации рекристаллизации <2гес зависит от содержания химических элементов в стали и рассчитывается как
()гес =148636,8-71981,3[С]+56537,6[&]+21180[Ми]+121243,3[МО]+
+64469,6 [V] + 109731,9 [№>]°Д5 ^
(1)
При расчете критической деформации для начала динамической рекристаллизации ес по данным о кинетике статической рекристаллизации аустенита принимали, что величина ес соответствует развитию динамической рекристаллизации на 1%. Эффектом повторного наклепа динамически рекристаллизованных зерен пренебрегали в силу малой его величины на начальной стадии динамической рекристаллизации. Расчет проводили для условий линейного закона роста деформации. Размер зерна аустенита в структуре сталей принимали равным 100 мкм.
При анализе влияния химического состава сталей на величину критической деформации использовали низкоуглеродистую сталь 09Г2 с 0,06% С; 1,6% Мп; 0,25% 81. Расчет ес проводили при последовательном варьировании содержания углерода, марганца и кремния в предельном диапазоне их изменения в низколегированных сталях (0,04 - 0,37% С; 0,30 - 1,80% Мп; 0,17 - 1,10% 81). Полученные зависимости величины ес от содержания химических элементов в низколегированных сталях приведены на рисунке.
Установлено, что увеличение содержания углерода снижает уровень критической деформации, в то время как кремний и марганец повышают это значение, тем самым способствуя упрочнению стали при горячей деформации. Показано, что изменение химического состава в низколегированных сталях разных марок приводит к значительному колебанию значений ес (до 1,6 - 2,1 раза). Выявлено, что даже при колебаниях содержания элементов в пределах марочного состава стали наблюдается заметное изменение величины ес. Так, в стали 09Г2 при колебании содержания элементов в пределах марки (0,04 - 0,12% С; 1,40 - 1,80% Мп; 0,17 - 0,37% 81) критическая деформация может изменяться от 0,52 до 0,62 (на 16,1%).
С 0.1 0.2 0.3 0,4
Содержание С, % а)
0 0.5 1 1,5 2 0 02 0,4 СЭ 0.8 1
Содержание Мп. % Содержание 31 %
б) е!
Влияние содержания углерода (а), марганца (б) и кремния (в) на критическую деформацию 8с при динамической рекристаллизации конструкционных сталей: Т = 950 °С, ё =5 с-1
348
Выводы
1. Проведено моделирование процессов термомеханической обработки низколегированных сталей на прокатном стане НШС ГП 2000 ОАО НЛМК. Установлены закономерности развития процессов динамической и метадинамической рекристаллизации конструкционных сталей после горячей прокатки.
2. Разработаны математические модели процессов рекристаллизации, которые могут быть использованы в системе автоматизированного управления структурой и свойствами сталей в производственных условиях при создании ресурсосберегающих технологий прокатки металлических систем. Полученные математические модели актуальны также для прогноза условий развития динамической рекристаллизации и выбора оптимального химического состава сталей и их фазового и структурного состояния.
3. Выявлено, что учет изменения содержания химических элементов в марке деформируемой стали позволил значительно повысить точность прогноза величины критической деформации в процессах динамической рекристаллизации.
Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих технологий обработки металлических материалов в различных условиях и состояниях с учетом рекомендаций работ авторов [11-23].
Работа выполнена по темам государственных заданий Минобрнау-ки России (проект № 2104 и проект № 11.6682.2017/8.9) и в рамках задания гранта Президента РФ № МК-3224.2015.8.
Список литературы
1. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.
2. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Изд-во МИСИС, 2005. 432 с.
3. Шкатов В.В., Шкатов М.И., Богомолов И.В. Методика расчета критической деформации для начала динамической рекристаллизации при горячей прокатке низколегированных сталей // Современная металлургия начала нового тысячелетия. Липецк: ЛГТУ, 2007. Ч.1. С.126-130.
4. Шкатов В.В., Шкатов М.И. Прогнозирование критической деформации, соответствующей началу динамической рекристаллизации в сталях // Изв. вузов. Черная металлургия. 2008. №3 . С. 59-61.
5. Medina S.F., Quispe A. Model for static recrystallization kinetics of Hot Debormed Austenite in Low Alloy and NbV Microalloyed Steels // Iron steel Inst. Jpn. Ira, 1992. Vol. 41. P. 774-781.
6. Гадалов В.Н., Сафонов С.В., Шкатов М.И., Романенко Д.Н. Эволюция микроструктуры при развитии динамической рекристаллизации в процессе горячей прокатки конструкционных сталей // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Том 9. №5-1. С. 13-16.
7. Гадалов В.Н., Шкатов В.В., Скрипкина Ю.В., Романенко Д.Н. Влияние наноразмерных выделений нитрида алюминия на образование текстуры рекристаллизации в раскисленных алюминием низкоуглеродистых сталях // Физика и технология наноматериалов и структур. Курск: ЮЗГУ; ЗАО «Университетская книга», 2015. Т. 1. С. 37-42.
8. Володин И.М., Гадалов В.Н., Шкатов М.И., Лукин А.С., Романенко Е.Ф., Щеренкова И.С. Изменение микроструктуры конструкционных сталей при динамической рекристаллизации // Сталь. 2016. № 1. С. 55-57.
9. Гадалов В.Н., Филонович А.В., Романенко Д.Н., Ворначева И.В. Особенности полигонизации и рекристаллизации в медных микрокристаллах. Курск: Юго-Западный гос. ун-т: Изд-во ЗАО «Университетская книга», 2015. 92 с.
10. Шкатов В.В. Применение нейронных сетей для прогнозирования характеристик пластичности горячекатанных листовых сталей // Современные материалы. Техника и технология. 2018. № 3(18). С. 42-46.
11. Журавлев Г.М., Гвоздев А.Е. Обработка сталей и сплавов в интервале температур фазовых превращений: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 320 с.
12. Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М. Теория пластичности дилатирующих сред: монография / под ред. проф. А.Е. Гвоздева. 2-е изд., перераб. и доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 337 с.
13. Технология конструкционных, эксплуатационных и инструментальных материалов: учебник / А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Д. Бреки. 2 изд. доп.; под ред. проф. Н.Н. Сергеева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 406 с.
14. Gvozdev A.E., Minaev I.V., Sergeev N.N., Kolmakov A.G., Provot-orov D.A., Tikhonova I.V. Grain size effect of austenite on the kinetics of pearl-ite transformation in low- and medium-carbon low-alloy steels // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Т. 6. № 1. С. 41-44.
15. Журавлев Г.М., Гвоздев А.Е. Пластическая дилатансия и деформационная повреждаемость металлов и сплавов: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 114 с.
16. Тихонова И.В., Боголюбова Д.Н., Гвоздев А.Е. Закономерности и механизмы развития пластичности в хроме, сплавах алюминия и меди при горячей деформации. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 210 с.
17. Sergeev N.N., Sergeev A.N., Kutepov S.N., Gvozdev A.E., Kolmakov A.G. Mechanism of the hydrogen cracking of metals and alloys, part I (review) // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Т. 10. № 1. P. 24-31.
18. Sergeev N.N., Sergeev A.N., Kutepov S.N., Gvozdev A.E., Kolmakov A.G. Mechanism of the hydrogen cracking of metals and alloys, part II (review) // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Т. 10. № 1. P. 32-41.
19. Gvozdev A.E., Bogolyubova D.N., Sergeev N.N., Kolmakov A.G., Provotorov D.A., Tikhonova I.V. Features of softening processes of aluminum, copper, and their alloys under hot deformation. Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Т. 6. № 1. P. 32-40.
20. Гвоздев А.Е., Сергеев А.Н., Чуканов А.Н., Кутепов С.Н., Малий Д.В., Цой Е.В., Калинин А.А. Из истории состояния сверхпластичности металлических систем // Чебышевский сборник. 2019. Т. 20. Вып. 1. С. 352369.
21. Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Минаев И.В., Добровольский Н.Н., Сапожников С.В., Калинин А. А. Определение материальных математических функций в условиях текучести дилатирующих сред из порошковых и слитковых металлических систем // Чебышевский сборник. 2019. Т. 20. Вып. 2. С. 542-565.
22. Калинин М.М., Калинин А.М., Калинин А.А., Гвоздев А.Е. Изобретательство, экология, ресурсосбережение: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 494 с.
23. Antifriction properties of plasma-chemical coatings based on SiO2 with MoS2 nanoparticles under conditions of spinning friction on ShKh15 steel / A.D. Breki, S.E. Aleksandrov, K.S. Tyurikov, A.G. Kolmakov, A.E. Gvozdev, A.A. Kalinin // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Т. 9. № 4. P. 714718.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Шкатов Валерий Викторович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Скрипкина Юлия Владимировна, канд. техн. наук, доцент, Julia_skr@,mail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, доцент, kutepov. sergei@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Калинин Антон Алексеевич, инженер, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDYING THE INFLUENCE OF CHEMICAL COMPOSITION LOW-ALLOY STEELS A T CRITICAL TEMPERA TURE DEFORMA TION FOR DYNAMIC RECRYSTALLIZA TION
DURING HOT ROLLING
V.N. Gadalov, V. V. Shkatov, Yu. V. Skripkina, A.E. Gvozdev, S.N. Kutepov, A.A. Kalinin
The dependence of critical deformation for dynamic recrystallization in low alloy steels of various chemical composition is established. An improved model for predicting critical deformation during thermomechanical recrystallization, evaluating the effect of the chemical components of steels, is analyzed. An analysis is made of the influence of the chemical composition of steels on the value of critical deformation during thermomechanical treatment. It was found that the mathematical model can be used in an automated control system for the structure and properties of steels to predict the conditions for the development of dynamic recrystallization and to select the optimal chemical and phase-structural composition of steels.
Key words hot rolling-recrystallization, dynamic recrystallization, metadynamic re-crystallization, critical deformation, low alloy steel, chemical composition, model, kinetics, steel 09G2, forecast, rolled microstructure - rolled structure - rolled properties, thermome-chanical deformation, hot rolling mills 2000.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Shkatov Valery Viktorovich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Skripkina Julia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, Julia_skr@,mail.ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Gvozdev Aleksandr Evgenyevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, kutepov. sergei@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kalinin Anton Alekseevich, engineer, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.025
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ НА ФОРМОИЗМЕНЯЮЩИХ
ОПЕРАЦИЯХ
В.П. Табаков, В.Н. Кокорин, Е.Л. Корняков, О.И. Морозов, А.С. Алешин,
Д.И. Сагитов
Рассмотрены вопросы повышения стойкости рабочих деталей штампов с помощью нанесения износостойких покрытий методами ионно-плазменного напыления. Представлены результаты производственных испытаний штампового инструмента с износостойким покрытием на основе нитрида титана на формоизменяющих операциях листовой штамповки.
Ключевые слова: штамп, покрытие, износостойкость, нитрид титана, ионно-плазменное напыление.
В машиностроительном производстве в процессах листовой штамповки большое значение имеет износостойкость рабочего инструмента -рабочих поверхностей пуансонов и матриц. В настоящее время существует несколько основных способов повышения стойкости и упрочнения рабочих поверхностей инструментальной оснастки - термическая обработка
352
