Стали для глубокой и сверх глубокой вытяжки

Повышение прочности стали часто сопровождается снижением технологической пластичности, необходимой при использовании наиболее эффективных процессов металлоотходной технологии переработки металла (например, холодной и объемной штамповки), либо ухудшением характеристик разрушения, определяющих эксплуатационную надежность стальных деталей. Таким образом, задачей является не просто увеличение прочности, а поиски механизмов упрочнения, обеспечивающих одновременно высокие пластические свойства, а также повышенные характеристики статической и циклической трещиностойкости. Применительно к низколегированным и конструкционным сталям до недавнего времени структурными механизмами, удовлетворяющими этим условиям, считались только измельчение зерна, уменьшение межцементитного расстояния в перлите или создание полигонизованной субструктуры. В последние годы получены успешные результаты при использовании упрочнения низколегированных сталей за счет фазовых превращений с получением так называемого игольчатого феррита, а также в результате замены традиционного перлитного упрочнения на бейнит или мартенсит, разработки низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаливающихся на воздухе и создания гетерогенных структур с регламентированным соотношением фаз, т.е. естественных композиционных материалов

Интерес к низколегированным двухфазным сталям с ферритно–мартенситной структурой резко усилился в связи с возможностью их применения в качестве листовых сталей для холодной штамповки – прежде всего, деталей автомобилей. Снижение пластичности (штампуемости) при использовании твердорастворного и дисперсионного упрочнения и даже измельчении зерна феррита исключает или ограничивает применение сталей повышенной прочности взамен традиционных низкоуглеродистых сталей с целью уменьшения толщины штампованных деталей.

Оказалось, что двухфазные ферритно–мартенситные стали (ДФМС) с регламентированным количеством мартенсита (обычно не более 20–30 %) обладают наиболее благоприятным сочетанием прочности и пластичности, по сравнению с другими низколегированными сталями. При этом аномально высокое их упрочнение в процессе деформации и искусственного старения позволяет получить повышенную прочность готовых штампованных деталей и снизить их толщину на 15–25 % при сравнительно невысоком значении предела текучести в исходном состоянии

Штампуемость является результатом сложного взаимодействия материала, смазки; инструмента и прессового оборудования. При изменении одного из этих параметров изменяется и роль всех остальных.

Интерес к созданию и внедрению ДФМС за рубежом был обусловлен, прежде всего, стремлением к снижению расхода горючего, в том числе к уменьшению массы автомобилей в результате применения материалов повышенной прочности. В то же время большое число деталей автомобилей спроектировано с учетом требований жидкости, поэтому снижение толщины их стенки, независимо от уровня прочности сталей, требует усложнения конфигурации, т. е. может быть реализовано только при высокой штампуемости материала, которая обычно ухудшается с повышением прочности стали.

Преимуществом ДФМС является не столько высокая прочность или пластичность, сколько возможность получения наиболее высокого сочетания этих параметров, по сравнению с другими вариантами технологии получения низколегированных сталей, что позволяет изготавливать из этих сталей детали сложной формы.

Эффективность использования ДФМС для получения высокопрочных изделий методом ХОШ определяется существенным снижением энергозатрат в результате отмены термоупрочнения готовых деталей и замены длительного сфероидизирующего отжига стали, предшествующего холодной объемной штамповке, кратковременным нагревом в двухфазной области. Дополнительные преимущества связаны со значительным увеличением выхода годных изделий вследствие исключения присущего термоупрочнению брака (искривления длинномерных изделий, забоин резьбы и т. п.).

Проводятся работы по применению ДФМС при получении изделий методом холодного выдавливания, в том числе с использованием термической обработки из двухфазной области перед завершающими переходами. Сочетание высокой упрочняемости ДФМС и высокой их исходной технологической пластичности, с достижением прочности более 1000 МПа (30–34 HRC) без термоупрочнения позволяет получить при малоотходной технологии для изготовления деталей (из среднеуглеродистых сталей методом точения) существенное повышение коэффициента использования металла.

Термическая и термомеханическая обработка для получения регламентированной ферритно–мартенситной структуры стали

Основным средством получения двухфазных ферритно–мартенситных сталей (ДФМС) является термическая обработка, проводимая, как правило, издвухфазной a+ g – области.

Свойства смешанных структур в решающей степени зависят от количественного соотношения и морфологии отдельных структурных составляющих, которые формируются в процессе термической или термомеханической обработки сталей. При этом выбор конкретных режимов должен обеспечивать не только получение заданной структуры, но и минимальную ее чувствительность к неизбежным колебаниям параметров технологического процесса.

Для получения ферритно-мартенситной структуры с необходимым количеством и желательной морфологией мартенсита, определенным состоянием твердого раствора феррита и т.п., необходимо знать характер влияния различных параметров термической обработки, а также исходной структуры на количество, морфологию, взаимное расположение и свойства отдельных фаз.

Объемная доля образующегося при охлаждении из двухфазной области мартенсита определяется количеством аустенита, образовавшегося при конкретных условиях нагрева в двухфазной области, а также полнотой его превращения по бездиффузионному механизму, т. е. устойчивостью g – фазы при охлаждении ферритно-аустенитной смеси. Влияние неполной аустенизации определяет, с одной стороны, обогащение аустенита углеродом и соответствующее повышение его устойчивости (затормаживание перлитного превращения). С другой – наличие развитой межфазной поверхности облегчает развитие диффузионных превращений (выделение феррита) при охлаждении g – фазы из двухфазной области.

Важным аспектомтермической и термомеханической обработки считают возможность перераспределения элементов между фазами, которое способно влиять на устойчивость аустенита и свойства феррита, а также на количественное соотношение фаз при нагреве в a+ g – области.

В этой связи необходимо учитывать возможные изменения состава и морфологии этих фаз в процессе термической и термомеханической обработки из МКИ и последующего отпуска. Определенное воздействие на свойства отдельных фаз ДФМС в целом могут оказывать процессы выделения или коагуляции дисперсных частиц, рекристаллизации и роста зерен феррита, протекающие при горячей деформации или нагреве стали в двухфазной области, а также эффекты наследования исходной структуры, проявление которых зависит от скорости и продолжительности нагрева. Некоторое влияние на свойства "двухфазной" стали может оказывать присутствие остаточного аустенита, количество которого, помимо состава стали, также зависит от режимов термической обработки.

В целом, получение смешанной структуры с регламентированным соотношением структурных составляющих определенной морфологии зависит от условий нагрева и охлаждения, состава стали, типа исходной структуры, деформации аустенита и т. д.