Металлургия

Прокатное производство

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Влияние процесса холодной прокатки на свойства стали

При холодной прокатке стали с увеличением степени деформации повышаются все характеристики прочности: предел текучести, предел прочности, твердость. Прочность особенно возрастает на начальных стадиях деформации (до 20—30%), при дальнейшем повышении степени деформации интенсивность упрочнения уменьшается. Способность металлов упрочняться зависит от типа их кристаллической решетки. Известно, что металлы и сплавы с гранецентрированной кубической решеткой обычно упрочняются сильнее, чем с объемноцентрированной кубической. При холодной прокатке происходят межзеренные и внутризеренные разрушения, появляются микроскопические трещины, которые с ростом степени деформации увеличиваются, что приводит к понижению пластичности металла. Наибольшее понижение пластичности происходит на начальных стадиях холодной деформации, т. е. когда резко возрастает упрочнение. По мере роста деформации (до 50—70%) металл становится очень прочным и хрупким. Дальнейшая его прокатка без промежуточного отжига затруднительна. 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 волокнистое строение, что приводит к неодинаковым свойствам его в разных направлениях. Разница в свойствах наклепанного металла, обусловленная волокнистым строением, называется механической анизотропией.

При холодной прокатке металла вместе с изменением формы зерен происходит изменение ориентировки их пространственной кристаллической решетки в результате направленности скольжения (сдвигов) по определенным плоскостям и направлениям в этих плоскостях; образуется текстура деформации (при обжатиях примерно 50%), что играет важную роль в холодной прокатке тонких листов, где степень деформации достигает больших значений. Тип текстуры определяется главным образом типом кристаллической решетки металла и схемой деформации и почти не зависит от схемы напряженного состояния. Металлы, у которых большинство зерен имеют одинаковую ориентировку, приобретают свойства, близкие к свойствам монокристалла, становятся кристаллически анизотропными.

Это обстоятельство имеет весьма важное значение, например, при производстве трансформаторной стали. Таким образом, необходимо различать кристаллическую и механическую анизотропии, первая обусловлена структурой, вторая — внешней формой зерен. При относительно малых обжатиях преобладает механическая анизотропия, при больших—оба вида. Механическая анизотропия обычно устраняется при рекристаллизации; кристаллическая анизотропия (текстура) может сохраняться, изменяться или исчезать, что зависит от температуры отжига.

Плотность металла при холодной прокатке обычно уменьшается. Это объясняется тем, что при деформации образуются межзеренные пустоты и трещины, уменьшающие плотность и увеличивающие объем металла. Однако эти изменения весьма невелики (максимум 0,1—0,2%), что позволяет использовать условие постоянства объема в расчетах технологических параметров холодной прокатки.

При холодной прокатке металла обычно понижаются его электропроводность и коррозионная стойкость. Наклеп углеродистой стали приводит к уменьшению ее магнитной проницаемости и повышению коэрцитивной силы, так как в результате внутризеренных искажений и остаточных напряжений затрудняются намагничивание и размагничивание.

Большое значение при холодной прокатке имеет повышение температуры деформируемого, металла, доходящее в отдельных случаях до сотен градусов. Чем ниже температура прокатываемого металла и выше его сопротивление деформации, тем больше выход тепла. Разогрев деформируемого металла снижает его жесткость, повышает пластичность и может способствовать протеканию фазовых превращений (выделению новых фаз).

При нагревании наклепанного металла до сравнительна невысокой температуры (примерно до 0,3 Гпл) происходит его частичное разупрочнение, снижается прочность и повышается пластичность, но текстура и другие свойства, характерные для деформированного состояния, остаются неизменными. При дальнейшем повышении температуры наклепанного металла наступает рекристаллизация. Температура начала рекристаллизации зависит от степени предшествующей деформации! Чем больше деформация и искажение кристаллической решетки, тем легче и при более низких температурах происходит рекристаллизация. Обычно температура начала рекристаллизации металлов, по данным А. А. Бочвара, составляет 0,4 Гпл, где Гпл— абсолютная температура плавления стали. При рекристаллизации наклепанный металл полностью разупрочняется, его пластичность повышается до значений, соответствующих ненаклепанному состоянию.

Теория дислокаций объясняет разупрочнение наклепанного металла исчезновением дислокаций, вызванных холодной прокаткой. При рекристаллизации происходит зарождение и рост новых равноосных зерен; волокнистое строение и связанная с ним механическая анизотропия исчезают. Размер зерен ко времени окончания рекристаллизации зависит от ее температуры и длительности, а также от степени предшествующей деформации и величины зерен до холодной прокатки. Чем выше температура и больше длительность отжига, тем крупнее зерна. Большое влияние на величину зерен в рекристаллизационном металле оказывает степень предварительной деформации. Так, при критической степени деформации (5—15%) в процессе рекристаллизации наклепанного металла возникают аномально крупные зерна. Чем крупнее зерна в исходном состоянии до холодной прокатки, тем они крупнее и после рекристаллизации.

Сочетанием степени холодной деформации при прокатке и режиме рекристаллизации можно получить зерна различной величины, что имеет большое значение для придания металлу требуемых свойств. Рекристаллизационный отжиг может быть промежуточным между ступенями холодной прокатки и конечным. Текстура рекристаллизации зависит от температуры отжига после прокатки: чем выше температура, тем совершеннее структура.

Общее обжатие на современных станах холодной прокатки составляет 70—90%, что способствует повышению механических свойств и обеспечивает лучшее качество поверхности листовой стали. Величина общего обжатия зависит от химического состава стали и может ограничиваться прочностью валков, мощностью двигателей и невысокой пластичностью металла. С ростом упрочнения стали сопротивление деформации значительно увеличивается и может достичь такого значения, что дальнейшая прокатка станет затруднительной, тогда применяется промежуточный отжиг. Величина обжатия может ограничиваться также твердостью валков. При недостаточной твердости валков прокатка сильно наклепанной стали вызывает их большое упругое смятие. Обжатия также зависят от натяжения раската между клетями и от качества смазки поверхности листа, т. е. ее способности не выдавливаться в зоне деформации.

Обжатие за проход обычно не превышает 40—50%. При больших обжатиях возникает значительная упругая

деформация клети и, как следствие, значительная неравномерность деформации полосы. Заметим, что рост удельного и полного давления металла на валки tio проходам увеличивается не только вследствие наклепа, но и в связи с уменьшением толщины полосы.