Способ производства стального алюминированного проката Советский патент 1993 года по МПК B21B3/00 

ном F/zAls), которые обладают худшим сопротивлением температурам из-за пониженных температур плавления (1000-1100°С), что будет приводить к оп- лавлению поверхностного слоя, и как следствие, окалинообразованию и обезуглероживанию, т.е. поставленная цель достигаться не будет.

Если толщина наносимого алюминиевого слоя будет меньше величины (0,5-1,0)h (1+ + Ј) 103, то при расплавлении этого слоя при нагреве в печи и последующей диффузии алюминия в сталь из-за неоднородности толщины покрытия и свойств поверхностного слоя стали (по коэффициенту диффузии алюминия в железо) на поверхности будут образовываться участки, незащищенные алюминиевым или диффузионным слоем. Кроме того, из-за недостаточной толщины исходного алюминиевого слоя получающийся диффузионный слой при прокатке может утониться до относительной толщины (относительно толщины проката) менее 0,05-0,1%. Экспериментальные металлографические исследования показали, что в этом случае на поверхности проката начинает наблюдаться нарушение сплошности диффузионного слоя и появляются незащищенные участки поверхности проката.

В обоих случаях незащищенные участки поверхности подвергаются интенсивному обезуглероживанию и окалинообразованию, т.е. поставленная в изобретении цель не достигается. Если толщина нанесенного алюминиевого слоя будет находиться в пределах (0,5-1,0)h (1 +е), то это приведет к тому, что уже при 800-900°С (при соблюдении указанной выше скорости нагрева) на поверхности заготовки не останется алюминиевого покрытия из-за его диффузии в сталь с одной стороны и окисления с другой. В поверхностном слое образуется сплошная диффузионная прослойка интерметал- лидногосоединения . FeaAls, предохраняющая нижележащие слои заготовки от обезуглероживания и окисления. Само соединение FeaAls не обладает высокой жаростойкостью, однако в этот момент оно с поверхности защищено образовавшейся пленкой окиси алюминия AlaOs. которая хорошо противостоит высоким температурам,

При дальнейшем нагреве заготовки из- за диффузии атомов вглубь заготовки и к поверхности происходит превращение соединения Fe2Ais(71,4% А)втвердый раствор AI в железе (-30% AI) и утолщение защитной окисной пленки на поверхности. Твердый раствор Ai в железе обладает высокой

температурой плавления ( 1500°С), поэтому при температуре прокатки 1100-1200°С не происходит оплавления этой фазы, т.е. не нарушается сплошность защитного слоя,

вследствие чего слои заготовки, находящиеся под защитным слоем, не обезуглероживаются и не окисляются. Сам защитный слой по пластическим свойствам не отличается от стали, что исключает нарушение его

0 сплошности при деформации заготовки, и тем самым исключает окалинообразование и обезуглероживание поверхности проката во время прокатки.

Эмпирическая формула для расчета тол5 щины наносимого алюминиевого слоя учитывает равенство пластических свойств стали и защитного слоя, так как получена из условия того, что образовавшийся после нагрева в печи защитный диффузионный слой

0 при последующей прокатке деформируется с той же самой степенью деформации, что и сам прокатываемый профиль. Толщина диффузионного слоя после прокатки пд и после нагрева пд° связаны между собой соотно5 шением

Ьд° hA(1+Ј).kV

где Ј - суммарная степень деформации при прокатке;

ki - эмпирический коэффициент, учиты- 0 вающий дополнительное утонение диффузионного слоя за счет неоднородной деформации поверхности.

Учитывая соотношение толщины проката и диффузионного слоя, при котором со- 5 храняется сплошность защитного слоя, приведенное выше (ka) соотношение между толщиной диффузионного слоя и толщиной нанесенного алюминиевого слоя, определяемое кинетикой диффузионных процессов и 0 содержанием алюминия в защитной слое (кз)( 30%), получим:

hAi kik2-k3(1 + Ј)K h(1 + Ј), где HAI - толщина алюминиевого слоя;

h - минимальный размер поперечного сечения проката.

Проведенные эксперименты позволили определить значение К (0,5-,1,0), при котором достигается цель изобретения.

Сущность способа нанесения покрытий 0 заключается в том, что алюминиевый слой на поверхность заготовки наносится враща ющимися металлическими щетками путем одновременного прижатия ворса щеток к поверхности заготовки и алюминиевому 5 слитку. При таком способе нанесения покрытия достигается особое структурное .состояние поверхностного слоя заготовки и самого алюминиевого покрытия, характеризующееся сильным наклепом, нарушением

5

правильного кристаллического строения атомных решеток, отсутствием текстуры и наличием большого количества дефектов атомно-кристаллического строения. Благодаря этому обеспечиваются особые условия для диффузии алюминиевого слоя в сталь с образованием на конечной стадии процесса поверхностного диффузионного слоя, состоящего только из твердого раствора алюминия в железе, что придает поверхности проката стойкость против окалинообразо- вания и обезуглероживания, т.е. приводит к достижению поставленной цели.

В случае других способов нанесения алюминиевого слоя (напыление, алитирова- ние в расплаве), кроме того, что они требуют специальной подготовки поверхности, при соблюдении указанных в изобретении режимах в поверхностном слое не образуется требуемой твердой фазы (твердого раствора алюминия в железе), что значительно снижает стойкость поверхности проката против окалинообразования и обезуглероживания.

Нагрев заготовки в печи необходимо проводить со скоростью 20-30°С/мин, которая обеспечивает требуемые фазово- структурные изменения в поверхностном случае.

При нагреве со скоростью менее чем 20°С/мин происходит интенсивное окисление (выгорание) алюминиевого слоя еще при тех температурах, когда скорость диффузии атомов алюминия в сталь невелика (500-700°С), т.к. алюминиевый слой находится в твердом состоянии, В этом случае могут появиться участки с полностью сгоревшим алюминиевым слоем, под которым толщина образовавшейся диффузионной прослойки очень мала или вообще отсутствует. В дальнейшем это приведет к интенсивному обезуглероживанию и окалинообразованию на этих участках.

При нагреве с пониженной скоростью при высоких температурах (800-1100°С), когда алюминиевый слой на поверхности отсутствует, приводит соответственно к увеличению времени выдержки при этих температурах, что способствует усилению диффузии атомов алюминия к поверхности с образованием его окисла и соответственно уменьшает толщину прослойки образующихся твердого раствора AI в железе. В этом случае также возможно разрушение сплошности диффузионного защитного слоя, что приведет к тем же самым негативным последствиям, т.е. цель изобретения достигнута не будет.

Если нагревать заготовку со скоростью, превышающей 30°С/мин, то, с одной стороны, время выдержки при низких температу0

5

0

pax не обеспечит образование начальной защитной диффузионной прослойки, предохраняющей сталь от окалинообразования, что в дальнейшем ухудшит условия для диффузии AI в сталь и не обеспечит образование защитного слоя. С другой стороны, при высоких температурах, повышенная скорость нагрева не обеспечит полной диффузии в сталь, что не позволит получить в поверхностном слое прослойку из твердого раствора алюминия в железе. Образовавшийся при этом интерметаллиде Fe2Als будет при высоких температурах окисляться и оплавляться, что повлечет за собой нарушение сплошности защитного слоя, обезуглероживание и окалинообразование на незащищенных участках поверхности заготовки.

Таким образом, нагрев заготовки со скоростью выше 30°С/мин не приведет к

достижению поставленной цели.

Нагрев заготовки со скоростью 20- 30°С/мин обеспечивает на начальной стадии (500-700°С) образование защитной диффузионной прослойки из Fe2Als, предо5 храняющей сталь от окисления и тем самым сохраняющей условия для нормальной диффузии атомов алюминия в железо. При высоких температурах (700-1100°С) за счет достаточной временной выдержки обеспе0 чивается полная диффузия алюминия в - сталь с образованием тонкой защитной пленки и твердого раствора алюминия в железе. При этом образовавшийся диффузионный слой имеет равномерную толщину по всей поверхности заготовки без нарушения.

5 сплошности. Это придает поверхности заготовки высокую стойкость от окалинообразования и обезуглероживания, т.е. приводит к достижению поставленной цели.

Нагрев до 1100-1200°С необходим для

0 образования твердого раствора в железе в поверхностном слое заготовки.

Как показали экспериментальные исследования при нагреве до температур ниже 1100°С образование этой фазы не происхо5 дит, что приводит к снижению стойкости поверхности против обезуглероживания и окалинообразования (по причинам, указанным выше), т.е. не обеспечивает достижение поставленной цели.

0

При нагреве до температур более 1200°С, как показали эксперименты, начинает происходить оплавление образовавшейся фазы РезА, которая является более

5 легкоплавкой, чем феррит. Это приводит к нарушению сплошности защитного слоя и соответственно способствует окалинообразованию и обезуглероживанию, т.е. не обеспечивает достижение поставленной цели.

Нагрев до 1100-1200°С обеспечивает (при соблюдении других необходимых условий) образование в поверхностном слое сплошной прослойки твердого раствора алюминия в железе, фазы, наиболее стойкой против окалинообразования и обезуглероживания поверхности стали.

Таким образом, нагрев заготовки до 1100-1200°С приводит к достижению цели изобретения.

Автору неизвестно осуществление операции способа в предлагаемых режимах, на основании чего можно сделать вывод о соответствии предложения критерию существенные отличия..

Способ осуществляется следующим образом.

.Поверхность горячекатанной заготовки очищается от окалины, например, шлифовальным кругом, и далее заготовка, проходя через устройство с вращающимися металлическими щетками, к ворсу которых с одной стороны прижат, слиток из алюминия, покрывается слоем алюминия необходимой толщины, которую можно регулировать количеством пропусков заготовки через щеточное устройство. После этого заготовка поступает в нагревательную печь прокатного стана, в которой за счет регулировки такта проталкивания заготовок обеспечивается скорость нагрева в пределах 20- 30°С/мин, вплоть до 1100-1200°С.

Пример конкретного выполнения (см.табл., Ns 8).

Размеры поперечного сечения: заготовки 100 х 100 мм профиля 90 х 10 мм Длина рабочего пространства печи,L-10-м Величина хода печи, I - 0,3 м Скорость нагрева

(принимается),V - 20°С/мин Температура нагрева заготовки, tH-1150°C Суммарная степень деформации .„ 100 X 100-90 X 10 п 90 х 10 1и

Толщина нанесенного алюминиевого

слоя

пА| (0,5-1,( (55-110) Ьд| 70 мкм

Такт толкания

(tH-20) I 1180 Х0,3 V. . L V10 Х20 1,7 мин

После прокатки на поверхности проката полностью отсутствовали следы окалины. Металлографические исследования показали, что защитный слой представляет из себя равномерную прослойку толщиной 22 мкм

без нарушений сплошности. Анализ фазового состава рентгеновским методом показал наличие только твердого раствора алюминия в железе.

Были опробованы еще ряд режимов обработки заготовок, результаты которых приведены в таблице.

Анализ результатов, показанных в таблице, подтверждает тот факт, что если параметры режимов даже немного выходят за

пределы, указанные в формуле изобретения (режимы Kb№ 1, 2, 6, 10,11,15), цель изобретения не достигается, т.к. на поверхности проката наблюдаются следы окисления и обезуглероживания.

В то же время, если значения параметров находятся в указанных пределах (режимы №№ 3,8,13) или на границах интервалов (режимы Ms 4,5, 9,12,14), то качество поверхности проката удовлетворяет цели изобретения: следы окалинообразования и обезуглероживания в поверхностном .слое отсутствуют.

Предлагаемый способ производства проката позволяет защитить поверхность

металла при горячей прокатке от обезуглероживания И окалинообразования. Способ несложен в осуществлении и позволяет проводить его в потоке прокатного стана. Формула из обретения ,

Способ производства стального алюми- нированного проката, включающий нагрев заготовки, нанесение на ее поверхность алюминиевого слоя и прокатку, о т л и чающийся тем, что алюминиевый слой наносят на заготовку вращающимися металлическими щетками перед нагревом, при этом толщина слоя составляет (0,5+1,0)h(1 + +е) 10 , где h - минимальный размер сечения готового проката, мм; е- суммарная степень деформации при прокатке, %, а нагрев заготовки осуществляют со скоростью 20- 30 град/мин до 1100-1200°С.

Примечание: Т,P. - твердый раствор AI в железе.