В условиях рыночной экономики производство любой продукции, в том числе и металлопроката, должно быть осуществлено с минимально возможными затратами, чтобы составлять достойную конкуренцию на рынке: кто произвел продукт приемлемого качества и при этом сумел на это затратить минимальное количество ресурсов, тот и молодец.
Способов сэкономить масса: можно осуществлять это за счет наемных работников, проводя сокращения или урезая заработную плату, или устанавливая все более высокие планки требований к самоотдаче, стимулированием к саморазвитию, а можно при разработке технологии опираться на современные достижения науки и техники, например, использовать различные методы моделирования при разработке новой технологии (см. статью о моделировании), сводя к минимуму затраты на промышленные эксперименты, или использовать для получения желаемого комплекса свойств не термическую обработку, а, например, заменять закалку на закалку с прокатного нагрева или использовать технологию термомеханической обработки (ТМО) . Вот о ней-то мы сегодня и поговорим.
Определение ТМО и примеры ее применения
Термомеханическая обработка представляет собой совокупность операций пластической деформации и термической обработки, проводящихся (в зависимости от схемы ТМО) в различной последовательности [1, стр. 1].
А вот что говорит один из гуру ТМО, М.Л. Бернштейн: [2, стр. 7] “Термомеханическую обработку следует понимать как совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в различной последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры металлического сплава, а следовательно и его свойств, происходит в условиях повышенной плотности несовершенств строения, созданных пластической деформацией”.
Вот некоторые позитивные примеры использования ТМО:
– внедрение ТМО позволяет снизить расход стали при производстве деталей машин и механизмов за счет уменьшения их сечения, сокращения расхода запасных частей, заменить в ряде случаев легированные стали на углеродистые [1, стр. 4];
– технологии, использующие ТМО, как правило, являются ресурсосберегающими, поскольку ликвидируется один вид (а иногда и два) термической обработки – нормализация или закалка и отпуск [5, стр. 20];
– с помощью ТМО можно повысить хладостойкость и жаропрочность изделий, сохранив при этом коррозионную стойкость сталей;
– повышение эксплуатационных свойств позволяет либо снизить вес конструкции, либо уменьшить потребность в запасных частях [3, стр. 23].
Пока все это звучит как реклама супермодного бытового комбайна, который и пылесосит, и бутерброды делает, и гладит, и стирает, а что именно из себя представляет – неизвестно, и как им пользоваться – тоже непонятно. Будем разбираться…
Изучение и создание схем ТМО
Раз уж мы дело имеем с сочетанием деформации и термической обработки, то
1) ТМО металлов и сплавов целесообразно применять во всех случаях, когда целесообразна и простая термическая обработка, т. е. когда в сплавах возможны:
а) превращения в твердом растворе, связанные с изменением растворимости одного компонента в другом, [1, стр. 7]как, например, в случае дисперсионнотвердеющих жаропрочных сплавов;
б) полиморфные превращения [1, стр. 7], как, например, в сталях;
2) исследования в области термомеханической обработки сводятся к изучению влияния пластической деформации на превращения в термически обрабатываемых сплавах и на структуру и свойства после этих превращений.
Схемы ТМО
Схем ТМО, как уже понятно из определений выше, существует множество: в зависимости от того, какой сплав мы деформируем, как мы деформируем, в каком температурном интервале, как охлаждаем, нагреваем, выдерживаем, какая из этих операций за какой следует и т.д, и т.п. и какую структуру при этом получаем, и схема ТМО, и ее название будут разными…
А теперь “пробежимся галопом” по различным схемам ТМО. Как видно из таблицы ниже [2, стр. 22-23], их у нас целый букет!
(“^^^^” означает деформацию)
Подробного описания каждого из видов ТМО я давать в этой статье не буду: во-первых, слишком много текста для одной статьи :), а во-вторых, даже у великих гуру ТМО четкое описание всех схем не всегда имеется 🙂 .
Остановлюсь лишь немного на тех процессах ТМО, с которыми встречался сам – это НТМО и ВТМО.
Высокотемпературная термомеханическая обработка. ВТМО
а – для сталей, б – для стареющих сплавов, где полиморфного превращения нет
Применение этого процесса очень заманчиво, т.к. сравнительно легко вписывается в действующие на металлургических заводах технологические схемы горячей обработки давлением типа прокатки, волочения, ковки и т.д, и может быть осуществлен на тех же прокатных станах. В принципе, в начале процесс меняется мало: греем примерно до тех же температур, что и при прокатке, потом деформируем, НО теперь еще температуру деформации нужно контролировать и после деформации необходимо осуществить закалку.
На стадии же разработки режима деформации и закалки теперь необходимо еще и задумываться не только о формоизменении, а еще и о том, что внутри металла происходит, поэтому и к режиму деформации нужно подходить немного иначе!
Деформацию при ВТМО осуществляют выше порога рекристаллизации, а это значит, что рекристаллизация идет полным ходом: продеформировали аустенит – зерна его вытянулись, дислокации внутри них размножились, и во время междеформационной паузы вместо старых деформированных зерен родились и выросли новые рекристаллизованные. Затем металл снова продеформивали, снова зародились рекристаллизованные зерна… и так далее до последнего прохода, как и при обычной прокатке.
А вот после последнего прохода, который также осуществляется выше порога рекристаллизации, необходимо осуществить немедленную закалку, чтобы зафиксировать сотояние аустенита, полученное после деформации (повышенная плотность дислокаций, вероятно, особые конфигурации дислокаций типа полигональной субструктуры внутри зерен аустенита).
Как раз в этом и состоит особенность ВТМО – зафиксировать это состояние за счет немедленной закалки. Если это сталь, то структура, полученная аустенитом в результате деформации и немедленной закалки, наследуется мартенситом, а если это аустенитный сплав типа нержавейки или жаропрочного сплава, то мы просто получаем аустенит с унаследованной дислокационной структурой и сидящими внутри него атомами легирующих элементов (пересыщенный твердый раствор).
В случае сталей за закалкой следует отпуск мартенсита, а в случае аустенитных сплавов – старение.
Конечно же, надо понимать, что ограничения вносит размерный фактор: очень трудно резко охладить прокат большого сечения и удержать протекание рекристаллизации во внутренних слоях, где и температура больше, чем на поверхности, и скорость охлаждения меньше.
Итак, что нужно знать для разработки режима ВТМО?
Входные данные для разработки режима ВТМО
1. Нужно знать, когда мы деформируем металл выше, а когда ниже порога рекристаллизации, а значит, нужно знать температурные интервалы, когда рекристаллизация идет, а когда – нет. Информация эта важна для каждой стали или сплава, а в идеале – для каждого конкретного химического состава, т.е. для каждой плавки: ведь плавят-то в пределах допустимого диапазона химических элементов (см. ГОСТы), и каждый раз по-разному (два раза в одну реку не войдешь), а хим. элементы в разных количествах и сочетаниях оказывают влияние на протекание рекристаллизации, смещение точек превращения и т.п.
2. Из предыдущего пункта понятно, что нужно контролировать температуру металла. На предприятиях чаще всего это делают с помощью пирометров, вот только они измеряют температуру поверхности, а в центре она совсем другая…
3. Нужно специальное дополнительное оборудование для охлаждения металла после деформации (установка охлаждения со спреями, бак с водой и т.п.), возможно, и иное вспомогательное оборудование типа кантователей или манипуляторов, с помощью которых металл можно в бак закинуть и потом достать.
4. Неплохо бы представлять, какое мы имеем распределение температур и деформаций по сечению, для того, чтобы понимать, какую структуру мы получим по сечению после завершения всего цикла ВТМО.
5. Понимать, какие превращения происходят в конкретном сплаве во время нагрева, деформации и охлаждения. Для этого нужны специальные исследования с применением пластометров, электронных, оптических и даже просвечивающих микроскопов, рентгеновских лучей, оборудованием для испытания мех. свойств и т.д.
Низкотемпературная термомеханическая обработка.
НТМО
а – для сталей, б — для стареющих сплавов, где полиморфного превращения нет
При НТМО деформацию осуществляют ниже порога рекристаллизации аустенита, т.е. никакого образования новых зерен не происходит, а зерна аустенита просто раскатываются, как тесто под скалкой, и накапливают дислокации.
Если мы имеем дело с НТМО стали, то деформация такая осуществляется в температурном диапазоне когда и рекристаллизации нет, и полиморфного превращения еще не происходит, так что температурный интервал этот невелик. В случае же аустенитных сплавов дела обстоят получше: аустенит устойчив в очень широком интервале температур.
После последнего прохода (если мы говорим о прокатке) сталь немедленно закаляют, фиксируя таким образом структуру, образовавшуюся в результате деформации, после чего проводят отпуск.
Для разработки режима НТМО знать нужно то же, что и при разработке схемы НТМО, так что см. выше.
Основная проблема с применением НТМО заключается в том, что при низких температурах, когда нет рекристаллизации (мощнейшего процесса разупрочнения), накопление дефектов кристаллической решетки (см. статью о методах упрочнения) происходит интенсивнее, чем в случае ВТМО, поэтому сопротивление деформации аустенита весьма велико, а значит, и оборудование использовать нужно более мощное, а оно не везде есть…
В заключение
Сегодня широко освоены различные схемы ВТМО и НТМО в первую очередь при изготовлении таких изделий, как лист и сортовой прокат (круг, квадрат, полоса). Все эти изделия объединяет одно – простое поперечное сечение.
Меньшее применение ТМО пока наблюдается при изготовлении заготовок и деталей машин, что скорее всего связано со сложностью профиля, а следовательно, и усложнением условий достижения однородности по сечению структуры и свойств [5, стр. 26]: плоский лист равномерно охладить проще, чем какую-нибудь хитрую деталь с меняющейся толщиной, – для этого требуется создавать специализированные охлаждающие устройства. К тому же есть проблемы и на простом профиле, когда толщина проката очень велика, что также ведет к неравномерности условий охлаждения по сечению.
Таким образом, термомеханическая обработка сегодня является перспективным методом получения изделий из сталей и сплавов с необходимым комплексом свойств, а также методом повышения эффективности производства, но “поле” это еще пахать и возделывать придется не одному поколению, т.к. проблем еще много… и это хорошо: ученым-металлургам, прокатчикам, металловедам и технологам на предприятиях еще будет чем заняться!
Подписаться на обновления блога!
Ссылки
1. Григорьев А.К., Коджаспиров Г.Е. Термомеханическое упрочнение стали в заготовительном производстве. Л.: Машиностроение, 1985. 143 с.
2. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов сплавов, М:Металлугия, 1968, том 1, 1172 с.
3. Коджаспиров Г.Е. Термомеханическая обработка – эффективный способ регулирования структуры и свойств металлических материалов и основа ресурсберегающих технологий // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии для России». СПб. 1995. С. 23.
4. Коджаспиров Г.Е., Алферов В.П., Воробьев Ю.П. Опыт объединения “Кировский завод” в повышении хладостойкости сталей для трактора “Кировец”. Л.: ЛДНТП, 1986. 27 с.
5. Шаврин О.И., Исмаилов М.М. Управление анизотропностью упрочнения при термомеханической обработке // Повышение прочности и долговечности деталей машин. Ижевск, 1974. С. 20-28.
6. Шаврин О.И., Дементьев В.Б., Засыпкин А.Д. О повышении точности горячекатаных труб ВТМО с винтовым обжатием // Бернштейновские чтения по термомеханической обработке. М. 1999. С. 37.
Добавить комментарий