Лист нержавеющий 12Х18Н10Т

Особенности технологии производства листового и сортового проката из легированной стали

Технология производства сортового проката из легированных и высокоуглеродистых марок стали определяется особенностями их физических, механических и технологических свойств, таких как теплопроводность, сопротивление деформации, деформируемость, чувствительность к крупному разрушению и т.д.

Многие стали легированы Cr, Ni, Si, Mn, W, Mo и другими элементами, например рассматриваемая нами 12Х18Н10Т и применяются для производства множества видов проката в том числе листов и полос. Все эти элементы, а также углерод с повышением содержания в стали снижают ее важное физическое свойство - теплопроводность - по сравнению с низкоуглеродистыми сталями (рис. ниже), особенно при температурах до 600 - 800 °С. Свыше указанной температуры различие в теплопроводности легированных и низкоуглеродистых сталей незначительно, оставаясь у первых, однако, ниже, чем у вторых. Теплопроводность у литого металла меньше, чем у деформированного. Например, теплопроводность быстрорежущей и легированной инструментальной стали в литом состоянии почти в два раза меньше, чем в деформированном.

Структурные составляющие стали и сплавов также не одинаково влияют на теплопроводность. Отожженная сталь имеет более высокую теплопроводность, чем закаленная; теплопроводность стали перлитного класса при нагреве до 600-800 ^оС понижается, аустенитных - повышается. Из отмеченного видно, что теплопроводность стали зависит от химического состава, структуры и температуры, а также состояния металла (литого или деформированного). Таким образом, теплопроводность многих легированных марок сталей в интервале температур до 600-800 °С значительно ниже, чем углеродистых конструкционных, в связи с этим продолжительность их нагрева при холодном всаде перед обработкой давлением, при прочих равных условиях, должна быть больше, чем углеродистых.

Важнейшей характеристикой механических свойств сталей является сопротивление деформации при температуре обработки, что определяет выбор возможных степеней деформации и нагрузки на оборудование стана. По мере повышения содержания углерода и степени легирования сопротивление деформации стали (его базисное значение при t = 1000 °С, е = 0,1 и и = 10 с^-1) повышается, что видно из следующих данных:

Сопротивление деформации ряда высоколегированных марок стали при температуре конца обработки примерно в 2 раза, а сплавов в 3-4 раза больше, чем углеродистых конструкционных, что необходимо учитывать при разработке режима обжатия при прокатке.

Многочисленными исследованиями доказано, что технологическая пластичность (деформируемость) большинства легированных марок стали не является лимитирующим фактором при выборе технологических параметров прокатки и их можно обрабатывать с интенсивным режимом деформации даже на первой стадии передела, т.е. при прокатке слитков. Особенно это относится к обработке большинства конструкционных низко- и среднелегированных сталей перлитного и высоколегированных сталей ферритного класса, имеющим вокруг зерен тонкую и легко разрушаемую оболочку, не препятствующей интенсивной деформации металла. Вместе с тем при выборе параметров деформации структурно неоднородных сталей типа мартенситно-ферритных (15Х6СЮ, 15Х12ВНМФ, 14Х17Н2 и др.), аустенитно-мартенситных (20Х13Н4Г9, 07Х16Н6, 09Х17Н7Ю и др.), аустенитно-ферритных (08Х20Н14С2, 12Х21Н5Т, 08Х18Г8Н2Т и др.), а также сталей ледебуритного класса, аустенитных сталей с карбидными включениями и других необходимо учитывать их повышенную чувствительность к трещинам, трудность деформации устойчивых против разрушения карбидных и ледебуритных оболочек вокруг зерен, различную пластичность фазовых составляющих и т.д. Пониженная пластичность гетерогенных (неоднородных) структур с неравномерным распределением фаз, с грубыми выделениями по границам зерен особенно проявляются при межкристаллитной пластической деформации в области высоких температур, сопровождающейся скольжением и поворотом кристаллов одного односительно другого.

Влияние химического состава легированных марок стали нельзя рассматривать в отрыве от их структурного состояния. Исследованиями установлено, что изменение фазового состава приводит чаще всего к резкому изменению пластичности; например, при достаточно крупнозернистой структуре сталей и высоких скоростях деформации переход от однофазных легированных нержавеющих марок стали на основе твердых растворов к двухфазным сопровождается существенным ухудшением технологической пластичности.

Легированные стали ферритного и аустенитного классов, а также двухфазные аустенитно-ферритные, мартенситно-ферритные стали при прокатке имеют повышенное уширение, что также необходимо учитывать при разработке технологического процесса их обработки.

Свойства легированных марок стали учитывают на всех стадиях технологического процесса прокатки листов 12Х18Н10Т и других нержавеющих марок: при подготовке металла к прокатке, нагреве перед прокаткой, выборе режима обжатия и систем калибров при прокатке, охлаждении проката и последующей термической обработке и отделке продукции.

Слитки ряда легированных марок сталей, предназначенные для холодного всада при нагреве, после разливки и кристаллизации подвергают замедленному охлаждению в колодцах, печах и термостатах с целью уменьшения термических напряжений и образования внутренних и наружных трещин. Такие слитки после охлаждения в ряде случаев имеют подкаленную поверхность, что затрудняет их последующую обработку для удаления поверхностых дефектов. Поэтому перед удалением дефектов их подвергают смягчающему отжигу. В зависимости от характера и глубины залегания дефекты удаляют путем абразивной или резцовой зачистки, пневматической вырубки, огневым или электроконтактным способом.

Для легированных марок стали особо важное значение имеет выбор рациональной температуры нагрева и обработки. При выборе температуры нагрева легированных марок стали учитывают их физические, механические и технологические свойства, а также фазовый состав.

Поскольку сопротивление деформации зависит не только от природы металла, но и температуры, то для снижения сопротивления деформации ряда легированных марок стали принимают высокую температуру нагрева (на 150-200 °С ниже линии солидуса). Это особенно необходимо ввиду существенного повышения сопротивления деформации металла в конце прокатки, которое у легированных марок стали с понижением температуры увеличивается в значительно большей мере, чем у углеродистых.

Высокая температура нагрева перед прокаткой обычно приводит к относительно высокой температуре конца прокатки, что в ряде случаев нежелательно с точки зрения получения заданной структуры металла в готовом прокате. Структура однофазных сталей, таких как ферритные, после прокатки особенно сильно зависит от температуры и степени деформации: чем выше температура конца деформации, тем с большей полнотой протекает процесс рекристаллизации и крупнее получается зерно. Последнее приводит к снижению свойств стали. Поэтому для такой стали необходимо осуществлять деформацию при более низких температурах. Низкая температура конца прокатки является необходимым условием получения металла с мелкозернистой структурой при обработке ферритных высокохромистых сталей марок 12X17, 08X17, 08X17Т, 15X25, 15Х25Т, 15X28. При производстве готового проката из этих сталей А.А.Бабаков и В.М.Приданцев рекомендуют температуру нагрева заготовок под прокатку 950-1000 ^оС с тем, чтобы температура конца прокатки была 700-720 ^оС. Низкие температуры конца прокатки (ниже точки А_ст) необходимы для высокоуглеродистых и легированных инструментальных марок стали, чтобы предотвратить выпадение цементитной сетки, существенно снижающей их служебные свойства. Естественно, что прокатка при таких температурах сопровождается значительными нагрузками на оборудование стана. Чтобы уменьшить эти нагрузки при прокатке легированных марок стали в предчистовых и чистовых проходах, приходится применять меньшие обжатия, чем при прокатке обычных углеродистых сталей, или устанавливать более прочное и мощное оборудование стана.

Учитывая пониженную теплопроводность высоколегированных сталей, их нагрев на первой стадии для достижения температуры 600-800 °С центральными слоями слитка или заготовки необходимо вести замедленно. Это особенно относится к высокохромистым сталям, которые характеризуются повышенной хладноломкостью и при быстром нагреве весьма склонны к образованию термических трещин.

При выборе температуры нагрева и деформации учитывают также фазовый состав стали, что относится в первую очередь к нержавеющим сталям. Так, при нагреве слитков нержавеющих марок стали с низким содержанием углерода (0,08 % и ниже), таких как 08X18Н10Т, 08Х18Н11, 08Х18Н12Б, 08Х17Н15МЗТ, 04Х18Н10, 03ХН28МДТ и др., выделяется а-фаза, существенно ухудшающая пластичность стального листа, но лист марки 12Х18Н10Т имеет 0,12% углерода и поэтому данная проблема для этой марки не столь актуальна. Поэтому при нагреве таких сталей применяют ступенчатый режим: при холодном всаде выдержку слитков в ячейке без подачи газа дают до 15 мин, затем осуществляют нагрев слитков до 1300 °С. При температуре 1300 °С дают выдержку 1,5-2 ч, затем отсечкой газа снижают температуру ячейки до 1250 °С. При этой температуре производят томление для полного растворения а-фазы, длительность которого зависит от химического состава и способа легирования стали (при легировании металлическим титаном выдержка 4-11 ч, ферротитаном - 5-18 ч). После этого металл выдают в прокатку.

Высокоуглеродистые легированные марки стали типа ШХ6 - ШХ15СГ и другие с целью некоторого выравнивания химического состава в объеме дендритов и снижения карбидной неоднородности также подвергают ступенчатому (гомогенизирующему) нагреву, связанному с длительной выдержкой на одной из ступеней. Гомогенизирующему нагреву подвергают также ряд хромоникелевых и хромоникельвольфрамовых сталей (типа 18ХНВА, 30ХГСН2А и др.) для некоторого выравнивания химического состава и более полного растворения карбидов.

Важным является выбор рационального режима нагрева высокоуглеродистых и легированных инструментальных, рессорно-пружинных и других марок стали с целью предотвращения глубокого обезуглероживания, поскольку последнее существенно снижает качество стали.

Таким образом, выбор рациональной температуры и режима нагрева различных групп легированных и высокоуглеродистых качественных сталей является сложной задачей, в значительной степени определяющей качество получаемого проката. В этой связи следует отметить, что применение двухстадийного нагрева исходного металла, состоящем в медленном нагреве до 800 °С для полного прогрева по сечению и длине слитка или заготовки и последующей пересадки металла в высокотемпературную печь для окончательного нагрева до заданной температуры, решает многие вопросы повышения качества нагрева легированных и высокоуглеродистых качественных сталей для получения качественного конечного листового и сортового нержавеющего проката, например листа 12Х18Н10Т.

На сортовых станах для нагрева заготовок различного сечения из легированных марок стали 12Х18Н10Т и других, хорошие результаты дает применение печей с шагающим подом, которые позволяют изменять режим нагрева металла в более широком диапазоне, чем обычные методические печи.

Легированные марки стали более чувствительны к росту зерна, перегреву и пережогу, поэтому температуру в зоне форсированного нагрева в колодцах или в сварочной зоне методических печей необходимо иметь ниже, чем при нагреве углеродистых конструкционных сталей, чтобы не перегревались острые края слитков и заготовок.

При определении режимов прокатки на обжимных и сортовых станах, естественно, учитывают указанные свойства легированных сталей, в первую очередь повышенное сопротивление деформации и повышенное уширение, пониженную пластичность, изменение фазового состава по мере понижения температуры металла и т.д. Однако конструкции находящихся в эксплуатации обжимных и сортовых станов обычно не учитывают эти свойства ряда легированных марок стали, в связи с чем жесткость клетей, прочность валков и мощность двигателей этих станов во многих случаях не соответствуют необходимым рациональным режимам прокатки. При прокатке ряда марок стали, обладающих повышенным уширением, некоторые ящичные калибры конструируют с двойным выпуском, обеспечивающим с одной стороны удержание полосы от сваливания, а с другой - создание в калибре увеличенного объема для размещения металла, идущего в уширение. В черновых клетях сортовых станов при прокатке легированных марок стали после системы ящичных калибров используют при больших вытяжках -калибры системы овал - квадрат, шестиугольник - квадрат, а при меньших вытяжках - системы овал - ребровой овал и овал - круг. Последние две системы калибров желательно применять при прокатке малопластичных сталей, они хотя и обладают несколько меньшей вытяжной способностью, но зато обеспечивают плавный, без острых углов, переход одного профиля в другой, более равномерную деформацию и охлаждение профиля, хорошее удаление окалины.

Учитывая, что к сортовому прокату из легированных марок стали предъявляют повышенные требования к точности размеров профиля по сечению и длине в ряде случаев необходимо учитывать разницу в коэффициентах линейного расширения K_t для этого металла. Обычно при расчете калибровок сортовых профилей и раскрое металла коэффициент K_t принимают в пределах 1,011 - 1,013 исходя из температуры конца прокатки 900-1000 ^оС. Однако высокоуглеродистые и особенно коррозионностойкие хромоникелевые марки стали обладают более высоким K_t, что следует учитывать в расчетах калибровки. Значения K_t в интервале температур приведены ниже:

При расчетах режимов обжатий для прокатки ряда нержавеющих и высокопрочных марок стали необходимо учитывать ухудшение условий захвата металла валками и естественно устойчивости заданного положения полосы в калибре, что обычно связано с пониженными значениями коэффициента трения.

При прокатке однофазных сталей ферритного класса или аустенитных сталей типа 45Г17ЮЗ и др. для большего измельчения зерна и получения однородной структуры в последних проходах предусматривают повышенные обжатия до 25 - 30 % вместо обычных 10-15 %. Прокатку в последнем проходе осуществляют при пониженной температуре, для чего раскат перед чистовой клетью выдерживают в течение определенного времени. На станах обычных типов это приводит к снижению их производительности. В ряде случаев такая прокатка становится невозможной из-за недостаточной прочности клетей и мощности привода. Для предотвращения чрезмерного роста зерна после окончания деформации при повышенных температурах сортовые станы должны быть оснащены специальными охладительными устройствами в потоке стана, позволяющими подвергать полосу после выхода из чистовой клети интенсивному ускоренному охлаждению с целью затормозить или полностью прервать рекристаллизацию стали. В случае применения малых обжатий в конце прокатки (10 - 15 %) при последующем нагреве под закалку получается разнозернистая структура металла с отдельными крупными зернами, что снижает служебные свойства стали. Для достижения оптимальных результатов с точки зрения величины зерна и свойств металла необходимо строгое соблюдение температурно-деформационных условий прокатки для каждой марки однофазной стали. Ускоренному охлаждению после выхода из чистовой клети стана необходимо подвергать и заэвтектоидные высокоуглеродистые стали (инструментальные, подшипниковые и др.) для предотвращения выпадения цементитной сетки, контролируемой по ГОСТ.

С другой стороны, для ряда высокопрочных легированных марок стали получение высокой точности проката и уменьшение поверхностных дефектов возможно только при относительно высокой температуре конца прокатки. В этом случае для подогрева металла в процессе прокатки необходимы проходные печи, установленные в потоке стана.

Следовательно, для регулирования температуры металла по ходу прокатки и в конце деформации прокатные станы, предназначенные для обработки легированных марок стали в широком сортаменте, должны иметь специальные нагревательные и охладительные устройства, установленные в потоке стана.

После прокатки заготовки и готовый прокат (например нержавеющий лист 12Х18Н10Т) из многих легированных марок стали подвергают охлаждению в штабелях, в неотапливаемых и отапливаемых колодцах, в печах изотермической выдержки и т.д., а также подвергают термической обработке, чтобы обеспечить получение заданной структуры и свойств металла, предотвратить образование трещин напряжения (горячих или холодных трещин) и флокенов. Учитывая повышенные требования, предъявляемые к качеству поверхности легированного проката, его подвергают различным видам отделки с целью выявления и удаления поверхностных дефетов, обезуглероживания слоя и т.д.

Таким образом, при обработке легированной стали обеспечение заданной температуры конца прокатки, степени деформации, режима охлаждения, термической обработки и отделки с целью удаления поверхностных дефектов имеют решающее значение для получения структуры, свойств и качества поверхности проката в соответствии с требованиями ГОСТа и ТУ.