Материал: Современное состояние вопроса по производству и термической обработке холоднокатаного листового проката

При холодной прокатке форма зерна металла изменяется в соответствии с общей схемой деформации; они вытягиваются в направлении прокатки и уменьшают свои размеры по высоте (сжимаются). Металл получает строчечную структуру (при больших степенях деформации - текстуру), она же деформационная полосчатость, что приводит к неодинаковым свойствам его в разных направлениях. Разница в свойствах наклепанного металла в процессе холодной деформации, обусловленная строчечной структурой, называется механической анизотропией [5].

Таблица 1.4 - Влияние степени деформации на механические свойства

1.2    Задачи термообработки

Термическую обработку холоднокатаной стали проводят с целью снятия упрочнения материала после холодной прокатки, получения наилучших меха-нических свойств, обеспечения хорошей штампуемости, а также, чтобы сохра-нить или улучшить состояние поверхности холоднокатаных полос. При отжиге в металле должны полностью происходить рекристаллизация деформированного феррита [5].

При пластической холодной деформации кристаллические решетки зерен приобретают преимущественную пространственную ориентировку в опреде-ленных кристаллографических направлениях максимальной плотности атомов, возникает текстура деформации. Как видно из рисунка 1.1, с увеличением степени деформации временное сопротивление увеличивается, а относительное удлинение снижается, т.е. происходит наклеп металла.

Рисунок 1.1. Зависимость прочности и относительного удлинения от степени обжатия [2]

Это объясняется тем, что в процессе пластической деформации увеличивается число дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, ме-жузельных атомов), которые затрудняют движение отдельных новых дислокаций. Все это приводит к повышению сопротивления деформации и уменьшению пластичности.

Поэтому для разупрочнения и восстановления пластических свойств металла требуется последующая термическая обработка. Наиболее подходящим видом термической обработки в этом случае является светлый рекристаллизационный отжиг. Это обработка, в процессе которой происходит возникновение и рост новых недеформированных зерен за счет образования центров рекристаллизации и роста новых зерен. Процесс образования центров рекристаллизации термически активен - ускоряется с ростом температуры. Отжиг холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали проходит в три стадии [2, 5].

При нагреве до сравнительно низких температур (примерно 0,2 Тпл) протекает процесс возврата. При этом происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий, межузельных атомов) и перераспределение дислокаций, без образования новых субграниц. Однако при этом еще не наблюдается заметных изменений структуры по сравнению с деформированным состоянием.

При температуре 0,2-0,5 Тпл идет полигонизация. Происходит перераспределение дислокаций, приводящее к образованию субзерен (полигонов) с малоугловыми границами и снятию деформационных напряжений.

При температуре 0,4-0,5 Тпл протекает рекристаллизация, которую можно разделить на несколько стадий. При рекристаллизации происходит перемещение границ зерен. Несколько субзерен, благодаря растворению отдельных малоугловых границ, объединяются. Новая граница зерна, благодаря переползанию дислокаций, изменяет ориентацию и образуется высокоугловая граница. Таким образом, возникает зародыш рекристаллизации. Так как дислокации накапливаются на границах зерен и фаз, то здесь наблюдается максимальная плотность дислокаций, отсюда начинается рекристаллизация. После образования зародышей начинается их рост до полного уничтожения деформированной структуры. Этот процесс носит название первичная рекристаллизация.

После завершения первичной рекристаллизации протекает собирательная рекристаллизация, в процессе которой происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других путем передвижения высокоугловых границ. Основной причиной собирательной рекристаллизации является стремление к уменьшению зернограничной энергии благодаря уменьшению протяженности границ при росте зерна. В этот период предел текучести увеличивается [5, 6].

Наименьшая температура нагрева, при которой появляются рекристаллизованные зерна, называется температурой начала рекристаллизации [7]. Она не является физической константой, на нее влияет несколько факторов: степень деформации при обработке давлением, время отжига, степень чистоты металла и размер исходного (до деформации) зерна. С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации снижается, как видно из рисунка 1.2.

Рисунок 1.2. Влияние степени деформации на температуру начала рекристаллизации [2]

Объясняется это тем, что с увеличением степени деформации растут плотность дислокаций и энергия, накопленная при деформации, т.е. возникает термодинамический стимул рекристаллизации. С увеличением времени отжига и с повышением чистоты сильнодеформированного металла температура начала рекристаллизации снижается. Измельчение исходного (до деформации) зерна приводит к понижению температуры начала рекристаллизации, т.к. в более мелкозернистом металле больше суммарная площадь высокоугловых границ, где зарождаются центры рекристаллизации, и больше накопленная при деформации энергия. В общем случае Тр = 0,4 - 0,5 Тпл.

Размер рекристаллизованного зерна - одна из важнейших характеристик отожженного металла. Размер зерна к моменту окончания первичной рекристаллизации зависит от соотношения скорости зарождения центров рекристаллизации и линейной скорости их роста. Чем больше скорость зарождения центров и меньше линейная скорость роста, тем мельче получаемое зерно к моменту окончания первичной рекристаллизации, и наоборот. После окончания первичной рекристаллизации зерна укрупняются вследствие собирательной рекристаллизаии. Поэтому на конечный размер зерна влияет также линейная скорость роста кристаллитов при собирательной рекристаллизации.

К основным факторам, влияющим на конечный размер зерна, относятся химический состав, параметры горячей прокатки, степень деформации, температура и время отжига [5, 6].

С повышением температуры отжига скорость зарождения центров и линейная скорость роста увеличиваются. Если степень изменения скорости зарождения в зависимости от температуры больше, чем у линейной скорости, то зерно получается мельче, чем при одинаковой их скорости изменения. С увеличением продолжительности отжига размер зерна возрастает с затуханием-насыщением, приближаясь к предельному для данной температуры значению, в соответствии с рисунком 1.3.

Рисунок 1.3. Влияние температуры (а) и продолжительности нагрева (б) на величину рекристаллизованного зерна (t1< t2< t3) [2]

В зависимости от температуры и продолжительности отжига в металле с той или иной полнотой протекает разупрочнение. На рисунке 1.4 показаны три типовых случая изменения прочностных свойств с увеличением продолжительности отжига при постоянной температуре и их зависимости от температуры отжига при его постоянной продолжительности соответственно.

Показатели пластичности стали в общем изменяются обратно тому, как изменяются прочностные свойства: в области возврата сравнительно слабо возрастают, сильно повышаются при первичной рекристаллизации, когда снимается большая часть наклепа, и мало изменяются при собирательной рекристаллизации. Первичная рекристаллизация, резко снижая плотность дислокаций и «выметая» стенки субзерен, вызывает сильное разупрочнение, пропорциональное доле рекристаллизованного объема. С повышением температуры начала (tpн) и конца (tpк) рекристаллизации или с увеличением времени отжига при постоянной температуре прочностные свойства интенсивно снижаются из-за первичной рекристаллизации, как показано на рисунке 1.4. После того как наклепанные зерна полностью заменились значительно более совершенными рекристаллизованными, собирательная рекристаллизация может лишь немного понизить прочностные свойства из-за укрупнения зерна. Начиная с определенной температуры, t1, как это видно на рисунке 1.5 пластичность плавно снижается, т.к. далеко зашедшая рекристаллизация приводит к образованию чрезмерно крупного зерна, т.е. к перегреву при рекристаллизационном отжиге.

Рисунок 1.4. Схемы зависимостей прочностных свойств наклепанного металла от времени изотермической выдержки. Снятие наклепа в процессе возврата: практически не уменьшается; 2 - частично уменьшается; 3 - полностью снимается

Рисунок 1.5. Влияние температуры отжига на механические свойства деформированного металла [2]

Таким образом верхняя температурная граница отжига выбирается ниже температуры перегрева (около 800ОС) и ниже Ас1, а нижняя - с некоторым превышением tн.р. (около 400 ОС). Влияние степени деформации представлено на рисунке. 1.6.

Рисунок 1.6. Влияние степени пластической деформации на размер зерна после рекристаллизации (f и f1 критическая степень деформации) [2]

При очень высоких температурах отжига (выше t2) резко падают и пластичность, и прочность, что вызвано пережогом - сильным межкристаллитным окислением, а иногда и частичным оплавлением примесей по границам зерен. Этот дефект приводит к неисправимому браку - расслоению металла, пережонный металл направляется на переплавку.

При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. При 3-15 %-ой деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во много раз превысить размер исходного зерна (критическая степень деформации). После критической степени деформации также не происходит процесса рекристаллизации по механизму образования новых зерен.

При деформации выше критической протекает процесс первичной рекристаллизации. Это объясняется тем, что с развитием деформации возрастает число участков с повышенной плотностью дислокаций и, следовательно, увеличивается возможность образования центров рекристаллизации. При высоких степенях деформации скорость образования рекристаллизованных зародышей превышает скорость их роста, что и предопределяет образование мелкого зерна. При деформации выше критической протекает процесс первичной рекристаллизации. Это объясняется тем, что с развитием деформации возрастает число участков с повышенной плотностью дислокаций и, следовательно, увеличивается возможность образования центров рекристаллизации. При высоких степенях деформации скорость образования рекристаллизованных зародышей превышает скорость их роста, что и предопределяет образование мелкого зерна.

Повышение твердости и снижение пластичности холоднокатаной стали, че-рез некоторый промежуток времени после отжига, может произойти в результате процесса старения. Это объясняется тем, что выделившиеся из феррита при охлаждении карбиды и нитриды создают значительные микронапряжения и затрудняют движение дислокаций. Для устранения этого явления производят операцию перестаривания - низкотемпературную (350-450 ОС) выдержку. При этом происходит выделение растворенного в твердом растворе углерода в виде мелких карбидов с последующим их укрупнением (коагуляцией) [6, 7].

Функция рекристаллизационного отжига полосы возложена на термическое оборудование цеха. Наиболее распространенным оборудованием для термической обработки холоднокатаного металла, являются колпаковые печи и агрегаты непрерывного отжига.

1.3    Анализ преимуществ и недостатков имеющегося оборудования

Для светлого отжига садки металла в рулонах наружным диаметром 1500-2700 мм и массой 10-45 т наиболее часто применяют колпаковые печи с защитной атмосферой. Холоднокатаная полоса перед отжигом проходит очистку методом промывки и сушки. Печь состоит из неподвижного пода, внутреннего колпака-муфеля из жаростойкой стали и наружного нагревательного колпака, устанавливаемого над муфелем и футерованного изнутри огнеупорным кирпичом. В наружном колпаке внизу имеются горелки и дымовые отверстия.

Рулоны устанавливают на поду друг на друга в стопу и накрывают муфелем, который погружается в песочный затвор для предотвращения окисления отжигаемого металла. Продукты сгорания топлива (газа), выходящие из горелок, сначала направляют вверх (специальными экранами), а затем через дымовые отверстия выводят с помощью эжектора. Внутрь муфеля непрерывно подают защитный газ (95-97% N2 и 3-5% H2). Водород применяется для восстановления окислов металла по реакции: Н2 - H2O - Ме. Для ускорения нагрева металла колпаковые печи имеют вентиляторы, осуществляющие принудительную циркуляцию защитного газа, проходящего между рулонами в специальных прокладках и передающего им тепло от стенок муфеля. Один нагревательный колпак обслуживает 3-4 стенда (пода).

Преимущества колпаковых печей: надежны в эксплуатации, позволяют проводить различные по продолжительности и температурному режиму технологические процессы и применять любые контролируемые атмосферы. К недостаткам печей следует отнести неравномерность прогрева садки, сваривание витков, длительность обработки, применения для их обслуживания мостовых кранов большой грузоподъемности. Кроме того, для установки колпаковых печей требуется цех большой высоты. В целом, более высокая себестоимость отжига.

Не менее распространены для светлого отжига агрегаты непрерывного отжига (АНО). Полоса, подвергаемая термообработке в средней (печной) части АНО, последовательно проходит секцию нагрева, выдержки, газового охлаждения, повторного нагрева, перестаривания, ускоренного и воздушного охлаждения. В зависимости от типоразмеров полосы, скорости ее перемещения, а также режима термообработки она нагревается в камере нагрева до температуры 700−850 °С, затем при этой температуре проходит выдержку в секции выдержки. В секции газоструйного охлаждения полоса охлаждается до температуры 630−500 °С. Остывшая полоса вторично нагревается в секции повторного нагрева до температуры 400−500 °С. Затем в секции перестаривания постепенно охлаждается до температуры 280−250 °С и, поступив в секцию ускоренного охлаждения, охлаждается до температуры, при которой исключено окисление поверхности полосы на воздухе (ниже 100 °С). В секции воздушного охлаждения полоса охлаждается до температуры на 5−7 °С выше температуры воздуха в отделении, но не выше 40° С. Температура полосы по секциям агрегата задается в зависимости от способности к вытяжке проката.