Металлографическое исследование особенностей строения тонкого сляба и произведенного из него проката

Введение

На литейно-прокатном комплексе (ЛПК) АО «Выксунский металлургический завод» (ВМЗ) освоена технология производства проката различных марок стали, в том числе хладостойкого и коррозионностойкого исполнения. Процесс постоянного улучшения качества продукции позволяет непрерывно совершенствовать характеристики горячекатаного проката [1 – 5], при этом увеличение толщины сляба с 90 до 105 мм привело к повышению производительности комплекса [6]. В тонкослябовой технологии без перерекристаллизации аустенитных зерен перед прокаткой и ограниченной суммарной деформацией исходная литая структура оказывает наследственное влияние на формирование конечной микроструктуры проката [7]. Аустенитная структура сляба перед началом прокатки определяется раннее сформировавшейся в процессе кристаллизации литой структурой металла. Границы исходных литых зерен распространяются по междендритным пространствам, а форма и размеры этого зерна зависят от условий затвердевания. От поверхности к середине толщины слябов дисперсность литой структуры изменяется: последовательно формируются зоны мелких кристаллов, ориентированных столбчатых кристаллов и кристаллов равноосной формы. По оценкам исследователей [8 – 12] расстояния между дендритными осями второго порядка увеличиваются от поверхности к центру соответственно от 20 до 180 – 250 мкм в тонких слябах. Этот параметр в дендритной структуре классического толстого сляба выше: у поверхности 50 мкм, в середине толщины 350 мкм.

Экспериментально установлено, что в условиях ЛПК при томлении сляба из микролегированной стали в туннельной печи при 1150 – 1170 °С растворяется около 60 % дисперсных частиц, размер исходного зерна аустенита в слябе изменяется незначительно [4]. Поэто­му для достижения высоких свойств в прокате необходимо получение возможно более дисперсной исходной литой структуры перед прокаткой сляба за счет контроля процесса затвердевания металла [13]. Помимо размеров литых зерен, на формирование микроструктуры в ходе прокатки могут повлиять химические сегрегации, обусловленные условиями нахождения расплава в жидко-твердой двухфазной области. При затвердевании происходит разделение элементов на макроуровне, образуя зональные сегрегации. Дендритный характер процесса затвердевания приводит к микросегрегациям. Как правило, основным последствием сегрегаций может быть образование структурной неоднородности в прокатанном металле, негативно влияющей на механические свойства [14]. Задачей данного исследования являлось изучение внутренних химических и структурных характеристик, сформированных на этапах затвердевания тонкого сляба и в результате δ → γ превращения, и определения их влияния на формирование микроструктуры в ходе горячей деформации.

Материал и методы исследования

Материалом для исследования служил массив из десяти промышленных тонких слябов низкоуглеро­дистых микролегированных марок стали класса прочнос­ти К52 и соответственно произведенный из них прокат.

Зональную химическую сегрегацию определяли по содержанию химических элементов по толщине слябов методом атомно-эмиссионного спектрального анализа [15]. На каждом исследуемом участке выполнено 5 – 7 измерений, не менее 30 прожигов по толщине каждого сляба. Для оценки рассеивания химических элементов по сечению сляба использовали коэффициент вариации, рассчитанный как отношение стандартного отклонения в массиве данных к среднему значению [11]. Распределение химических элементов по осям дендритов и межосным пространствам оценивали по содержанию марганца [16, 17]. Литую структуру изучали на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer.Dlm на металлографических шлифах, изготовленных из быстро охлажденных проб от слябов. Диаметр бывших зерен аустенита, выделенных ферритом, измеряли в сечениях, параллельных широким граням сляба. В этих сечениях зерна равноосной формы, поэто­му было достаточно измерения диаметра без применения поправочных коэффициентов [18, 19]. Исследование микроструктуры проката выполняли с использованием метода дифракции обратнорассеянных электронов (ДОЭ) с помощью электронного микроскопа Ultra 55, оснащенного системой анализа HKL Channel 5. Карты ДОЭ строили на 1/4 толщины проката при увеличениях 125 и 500 с шагом сканирования 0,5 и 0,1 мкм соответственно. На полученных картах малоугловые границы (МУГ) проводили при углах разориентировки решеток от 2 до 15°, а большеугловые границы (БУГ) – при углах разориентировки более 15°. Размеры зерна оценивали по размерам участков, ограниченных БУГ [20].

Результаты и обсуждения

Рассчитанные коэффициенты вариации массивов с данными спектрального анализа (табл. 1) показывают, что рассеивание химических элементов по сечению слябов незначительное: коэффициенты вариации основных и примесных элементов меньше 10 %. По сравнению с этими результатами в классическом слябе толщиной 250 мм идентичной химической композиции коэффициент вариации углерода достигает 25,7 %, рассеивание остальных элементов такое же, как и в тонком слябе. Следовательно, условия разливки тонких слябов позволяют получить металл, близкий к химически однородному, зональные сегрегации – незначительные.

Изучение дендритной сегрегации показало, что содержание марганца по площади, занимаемой дендритными осями и междендритными промежутками, изменяется от 0,6 до 1,1 %. Карта распределения марганца отображает первичное затвердевшее состояние и дендритную сегрегацию в слябе из низкоуглеродистой стали (рис. 1). Видно, что классическое древовидное строение в тонком слябе низкоуглеродистой стали нарушено. Одной из причин разрушения дендритной структуры является использование динамического мягкого обжатия в процессе затвердевания, которое приводит к обламыванию и измельчению растущих дендритов. Образуются дополнительные центры для зарождения зерен аустенита при фазовом превращении δ → γ [13], обеспечивая дисперсность структуры перед горячей прокаткой.

Размер исходных аустенитных зерен, сформированных с учетом первичной дендритной структуры, находится в диапазоне от 0,5 до 1,5 мм. Для сравнения в классическом слябе толщиной более 200 мм до предпрокатного нагрева размер зерен вблизи поверхности составляет 1,5 мм и увеличивается до 4,5 мм в середине толщины. Вид зерен, выделенных ферритом, в сечениях, параллельных широким граням слябов толщинами 90 и 105 мм, приведен на рис. 2.

В ходе термомеханической обработки структурная неоднородность минимизируется за счет правильно подобранного микролегирования и значительных обжатий сляба в черновой группе клетей [1 – 5]. Кривая распределения деформации, построенная по относительному изменению дендритной структуры [21] в слябе при черновой прокатке, показала, что фактические обжатия в черновой группе клетей ЛПК обеспечивают равномерные местные деформации (рис. 3), необходимые для получения однородной мелкозернистой структуры аустенита перед черновой прокаткой.

Карты границ зерен и микроструктура конечного горячекатаного проката в виде карт контрастов картин Кикучи приведены на рис. 4. Видно, что структура состоит преимущественно из полигонального феррита (рис. 4, а), в матрице которого присутствуют бейнитные области с преобладанием зернистой морфологии (рис. 4, б) и, в меньшей степени, реечной. В структуре зернистого бейнита в большей степени присутствуют большеугловые границы [20], что хорошо видно на картах границ зерен.
Для более наглядной демонстрации размеров зерна в структуре исследуемых образцов построены карты (рис. 5), на которых каждый участок, ограниченный БУГ, окрашен в палитре от синего к красному. Синему цвету соответствуют наиболее мелкие зерна, красным цветом обозначены самые крупные участки. Хорошо видно, что структура преимущественно однородная по размерам зерна.

Результаты измерения зерен приведены в табл. 2. Доля крупных участков бейнита низкотемпературной модификации реечной морфологии с МУГ, сформированного в рамках исходных зерен аустенита, не превышает 10 %.

Карта распределения марганца по площади бейнита не подтверждает гипотезу о том, что бейнит грубой морфологии образуется в сегрегационных участках (рис. 6). Данный рисунок демонстрирует тождественность с дендритной сегрегацией. Содержание марганца по площади, занимаемой бейнитом и «соседней» структурой, изменяется от 0,68 до 1,01 % соответственно. Бейнит с МУГ сформировался в рамках аустенитных зерен, устойчивых при фазовом превращении [22].

Различие в содержании химических элементов между остовами дендритов и в междендритных прост­ранствах может повлиять на процессы рекристаллизации аустенитных зерен в ходе высокотемпературной черновой прокатки. По месту химически «чистых» участков барьерное действие для предотвращения роста рекристаллизованных зерен аустенита является ослабленным по сравнению с химически обогащенными пространствами. Установленная закономерность указывает, что минимизация доли бейнита грубой морфологии в прокате возможна за счет уменьшения исходной дендритной сегрегации в ходе затвердевания жидкой стали. Исследованиями установлено, что уменьшение расстояния между дендритными осями второго порядка в среднем на 30 мкм приводит к снижению дендритной сегрегации на 20 % [23]. Дисперсная первичная дендритная структура является предпосылкой для формирования равномерной рекристаллизованной аустенитной структуры в ходе прокатки в черновой группе клетей.

Выводы

Оценка зональных сегрегаций показала, что рассеивание химических элементов по сечению тонких слябов из низкоуглеродистой микролегированной стали незначительное: коэффициенты вариации меньше 10 %. По сравнению с этими результатами в слябе толщиной более 200 мм коэффициент вариации углерода достигает 25,7 %.

Дендритная сегрегация, отображенная картой распределения марганца, показала первичное затвердевшее состояние низкоуглеродистой стали с нарушенным строением дендритной структуры. Измельчение растущих дендритов в ходе затвердевания динамическим мягким обжатием сляба обеспечило дополнительные центры для зарождения зерен аустенита при фазовом превращении δ → γ. Размеры исходных аустенитных зерен в литой структуре тонкого сляба в 3 раза меньше, чем в слябе толщиной более 200 мм.

Расчет относительных изменений размеров дендритной структуры при черновой прокатке показал равномерные структурные преобразования, необходимые для получения однородного зерна аустенита перед входом в чистовую группу клетей.

Установлено, что природа образования бейнита с повышенной плотностью малоугловых границ в конечной микроструктуре проката обусловлена наследственным влиянием дендритной сегрегации в ходе прокатки. Снижение дендритной сегрегации является предпосылкой для формирования равномерной рекристаллизованной аустенитной структуры в ходе черновой прокатки.