Контролируемая прокатка

Контролируемая прокатка. Сочетание этих слов часто встречается в журналах о металлургии, вертится на языке у технологов и высокопоставленных лиц на металлургических предприятиях. Тем не менее, единой классификации разновидностей этого процесса, а следовательно, и мнения о том, что это все-таки такое, почему-то нет…

Прежде всего, контролируемая прокатка (КП) – это, конечно же, прокатка, но не простая, а с регулированием параметров типа температуры начала и конца прокатки (температурные параметры), единичных обжатий в проходах (деформационные), пауз между проходами (временные). Делается это для того, чтобы получить особые свойства металла, которые простой прокаткой не достигнуть. В общем, с изобретения прокатного стана (см. статью об истории ОМД) прошло времени много, и инженерная мысль не стояла на месте. Металл между валками теперь прогоняют не абы как, чтобы просто форму его изменить, а прокатывают так, чтобы еще и свойства особые получить, да ещё желательно при этом и ресурсов поменьше затратить – будь то оборудование, топливо или время.

 

Такое расплывчатое представление о КП  было у меня и раньше, поэтому, чтобы иметь полную картину, я решил посмотреть, что про эту технологию пишут различные авторитетные в научном мире люди и выписать все определения. Посмотрим, что получилось.

Определение КП №1

Контролируемая прокатка – “оптимизированный нагрев и непосредственно прокатка, обеспечивающие получение мелкого ферритного зерна посредством реализации двух механизмов: образования мелких рекристаллизованных аустенитных зерен в результате прокатки в интервале средних температур и за счет деформации аустенита ниже температур рекристаллизации, усиливающей зарождение ферритных зерен”. [1, стр. 14].

 

Определение КП №2

“Контролируемая прокатка представляет собой высокотемпературную обработку низколегированной стали и предполагает определенное сочетание основных параметров горячей деформации: температуры нагрева и конца прокатки; суммарной степени деформации и распределения деформации по температуре; скорости охлаждения и т.д.” “Одна из главных целей контролируемой прокатки – получение в готовом прокате из низкоуглеродистой низколегированной стали мелкозернистой структуры феррита, определяющей прочность и высокое сопротивление вязкому и хрупкому разрушению” [2, Стр. 79].

 

Определение КП №3

Контролируемая прокатка (в зарубежной литературе часто также используется термин “термомеханическая прокатка”) – «технологический процесс, включающий нагрев заготовки, предварительную деформацию при температуре выше температуры рекристаллизации аустенита, окончательную деформацию в области торможения рекристаллизации аустенита, либо в промежуточной γ+α области и охлаждение проката на воздухе»[3, стр. 7].

 

Определение КП №4

“Контролируемая прокатка представляет собой разновидность процесса высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) сталей сплавов, характеризующегося регламентированными в зависимости от химического состава условиями нагрева металла, температурными и деформационными  параметрами процесса и заданными режимами охлаждения металла на различных стадиях пластической обработки, результатом чего является получение структуры, при которой увеличивается прочность и вязкость металла”[4, стр. 8].

 

Пока все, вроде бы, понятно (за исключением того, что такое ВТМО – о ней как-нибудь в следующий раз):  основная цель КП – получение мелкого зерна феррита у низкоуглеродтстой низколегированой стали, а следовательно, и повышение одновременно у нее прочности и вязкости.
Происходит это все примерно вот так: нагреваем заготовку, чтобы и металл по сечению прогреть и зерно аустенита не вырастить, затем деформируем при высоких температурах, так что проходит рекристаллизация (образование новых зерен): получаем новые зерна аустенита, которые, образовываясь, «съедают» старые деформированные, и получаются более мелкими, чем исходные. Потом и эти относительно мелкие зерна плющим дальше в таком интервале температур, где рекристаллизация уже не проходит, т.е. теперь за счет деформации в этом интервале температур мы хотим «накачать» в структуру дефекты (см. статью об упрочнении металлов), которые вместе с многочисленными границами зерен (чем меньше зерно – тем больше и границ зерен) будут центрами зарождения новых, уже ферритных зерен. После деформации охлаждаем металл на воздухе и получаем в структуре мелкое ферритное зерно. Отбираем пробы, изготавливаем образцы для испытаний, получаем результаты и радуемся, что металл не только прочный (см. испытания на растяжение), но и вязкий (испытания на ударный изгиб).

Определились, кажется, но вот палки в колеса вставляет следующее определение.

 

Определение КП №5

“При контролируемой прокатке горячую пластическую деформацию и последующее охлаждение осуществляют по регламентированным режимам, что позволяет целенаправленно воздействовать на формирование продуктов диффузионного превращения переохлажденного аустенита, а следовательно, на комплекс механических свойств. […] Контролируемой прокатке в основном подвергают низкоуглеродистые низколегированные стали […] При помощи КП в первую очередь стремятся получить мелкозернистую ферритную структуру, определяющую повышенную прочность и высокое сопротивление вязкому разрушению […] «после ее окончания осуществляют ускоренное охлаждение» [5, стр. 464-465].

 

А-А-А! Какое еще ускоренное охлаждение?!  Одни [3], значит, считают что КП – это когда металл на воздухе после деформации охлаждают, а другие [5], что ускоренно, а это, скорее всего, значит, что водой, третьи просто подразумевают, что режимом охлаждения тоже можно управлять (см. определения 2 и 4).

Кому же верить? Я придерживаюсь определения 3, т.к. большинство авторов в определениях 1, 2 уже сказали, что основанная цель  КП – получение мелкого ферритного зерна. А как мы получим ферритное зерно при ускоренном охлаждении?! Можем получить не только феррит (или вообще не получить), но еще и целый букет других структур, например, игольчатый феррит, мартенсит, МА-фазу, бейнит, разнообразие видов у которого – вообще отдельная тема! Хотя, конечно, если соберется смена вокруг прокатанного листа или балки и будет обмахивать его веерами, феррит мы тоже получим… Тоже ведь ускоренное охлаждение по сравнению со спокойным воздухом, но все-таки главное здесь – это «охлаждение на воздухе». Так что определение 3 занимает почетное 1-е место в нашем хит-параде, и лично мое мнение, что КП – это когда металл должным образом погрели, продеформировали, контролируя температуры деформации и распределение деформации по проходам, а затем охладили прокат на воздухе (как при простой прокатке).

А вот то, про что говорится в определении 5, это уже «контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением» (КПУО), как ее называют авторы работы [3, стр. 7]. Уже совсем другая технология, результатом которой будет уже далеко не просто феррит.

 

Определение КПУО

Контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением (в зарубежной литературе используется термин «термомеханически контролируемый процесс») – «объединяет термомеханическую прокатку (с завершением деформации в аустенитной области вблизи точки Ar3) с последующим ускоренным охлаждением» [3, стр. 7].

В общем-то, основное отличие КПУО от КП – это и есть наличие ускоренного охлаждения металла после деформации. Кроме этого еще можно отметить, что КПУО завершают в аустенитной области, тогда как при КП, согласно определению 3 [3],  деформация может быть завершена и в промежуточной γ+α области. Также очень важно отметить и то, что очень большую роль при КП и КПУО играют микролегирующие элементы, например, Nb, V, Ti  (микролегирующие, потому что их меньше по сравнению с обычными легирующими элементами).

Находясь в твердом растворе, Nb и V оттягивают момент начала рекристаллизации, а также делают аустенит более устойчивым, а значит, оттягивают и момент превращения аустенита в феррит, а все это как раз и позволяет нам в течение долгого времени деформировать зерна аустенита и накачивать в них дефекты. Затем, когда эти элементы выделяются из твердого раствора, образуя карбиды и карбонитриды типа NbxCyNz или VxCyNz, то делают дополнительный вклад в упрочнение металла за счет дисперсионного твердения (см. статью о методах упрочнения).

Есть еще один процесс, в котором контролируют температуру конца прокатки и также стараются максимально измельчить зерно – это нормализационная прокатка.

 

Определение нормализационной прокатки

Нормализационная прокатка – “технологический процесс, используемый для замены нормализации”, “заключительная стадия процесса проводится в области температур нормализации […], в результате чего достигается комплекс свойств, близких к уровню нормализованного металла.” “Цель процесса – максимально измельчить зерно за счет многократного полного протекания процесса рекристаллизации при пониженных температурах и достаточных обжатиях” [3, стр. 7]

Здесь никаких оговорок по поводу применения технологии на низкоуглеродистых и низколегированных сталях уже нет, и, в отличие от КП и КПУО, измельчение зерна происходит не за счет распада нерекресталлизованного деформированного аустенита, а исключительно за счет протекания рекристаллизации между проходами.

Получается это так: металл продеформировали, пропустив через клеть, и до того, как он снова войдет в следующую клеть (или в ту же), пройдет время, а за это время проходит статическая рекристаллизация, и вместо старых деформированных зерен образуются новые рекристаллизованные, более мелкие, т.е. на момент начала следующего акта деформации мы имеем уже более мелкую структуру, а значит, больше границ и больше мест для зарождения новых зерен. Деформируем металл еще раз – и на границах деформированных зерен опять образуются новые рекристаллизованные зерна и т.д.

Тут, конечно, не все просто: во-первых, для того, чтобы рекристаллизация началась, необходимо металл продеформировать с определенной степенью деформации, которую нужно знать; во-вторых, времени паузы может не хватить для полного протекания рекристаллизации, и по-хорошему здесь нужно знать, насколько быстро и полно она протекает, а зная это, назначать длительность пауз между проходами.

Все это темы для отдельного и глубокого изучения. О рекристаллизации есть две очень хорошие книги: одна наша [6], другая – не наша [7].

КП и КПУО – тоже темы, требующие глубокого изучения, т.к. требуют понимания влияния легирующих элементов на структуру и свойства, понимания того, как деформация влияет на свойства и формирование микроструктуры и др. знаний из области металловедения и обработки металлов давлением и т.д. Вот литература по КП: [3], [4].

Пора закругляться, потому что целью данной статьи было разобраться с тем, что такое КП, и как она отличается от других похожих видов ОМД, а не навести смуту и предложить переворошить горы литературы, поэтому логично будет нарисовать схемку или табличку, из которой все будет понятно.

Итак, таблица:

Обычная прокатка	Контролируемая прокатка	Контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением	Нормализационная прокатка
–	Схема	Схема	Схема
Основная задача – формоизменение	КП подвергаются низкоуглеродистые низколегированные стали. Основная задача – получение мелкого зерна феррита. Заключительная деформация в γ или в γ+α области. В черновой стадии идет рекристаллизация аустенита. На завершающей стадии (чистовой) прокатки отсутствует рекристаллизация аустенита. Образование феррита происходит из сильно деформированных аустенитных зерен. Важную роль играют микроллегирующие элементы: Nb, V, Ti. После деформации – охлаждение на воздухе.	Заключительная деформация в γ-области. Важную роль играют микролегирующие элементы: Nb, V, Ti. В черновой стадии идет рекристаллизация аустенита. На завершающей стадии (чистовой) прокатки отсутствует рекристаллизация аустенита. Продукты превращения образуются из сильно деформированных аустенитных зерен.	Заключительная деформация в γ области при температурах нормализации В паузах между проходами происходит рекристаллизация аустенита. После деформации – охлаждение на воздухе.

 

 

Литература

1.  А.К. Григорьев, Г.Е. Коджаспиров – Термомеханическое упрочнение стали в заготовительном производстве, Л: Машиностроение, 1985, 143 с

2. Металловедение и термическая обработка стали. Справ. изж. — 3-е., перереб. и доп. В 3-х т. Т. III Термическая обработка металлопродукции/Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М: Металлургия, 1983. 216 с.

3.   Ф. Хайстеркампф, К. Хулка, Ю.И. Матросов, Ю.Д. Морозов, Л.И. Эфрон, В.И. Столяров, О.Н. Чевская. Ниобийсодержащие низколегированный стали. М: «СП Итермет Инжиниринг», 1999. 94 с. (стр. 7)

4.  Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка непрерывнолитого металла, М: Металлургия, 1986, 151 с.

5.  М.А. Смирнов, В.М. Счастливцев “Основы термической обработки стали”, Екатеринбург, 1999

6. Горелик С. С., Добаткин С. В., Капуткина Л. Рекристаллизация металлов и сплавов.  М.: 2005

7. Recrystallization and Related Annealing Phenomena, 2nd Edition from Anthony Rollett, F Humphreys, Gregory S. Rohrer, M. Hatherly.