Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области прокатного производства и термической обработки и может быть использовано при получении высокопрочной листовой стали специального и универсальных назначений, в том числе для бронезащитных конструкций.

Известен способ производства высокопрочной стали, включающий нагрев слябов до температуры аустенитизации 1000-1180°С, многопроходную горячую прокатку с температурой конца прокатки 950°С до конечной толщины. Горячекатаные листы затем нагревают со скоростью не менее 25°С/мин, закаливают водой и подвергают отпуску [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что горячекатаная листовая хромоникелевая сталь после прокатки и закалки имеет низкие и неравномерные механические свойства, неудовлетворительно противостоит ударно-импульсным нагрузкам высокой энергии (УИНВЭ), которые возникают при тестовом обстреле образцов из стрелкового оружия.

Известен также способ производства высокопрочных стальных листов, включающий нагрев слябов до температуры аустенитизации, но не более 1150°С, и горячую прокатку за несколько проходов с суммарным обжатием не менее 30% и с температурой конца прокатки 900-950°С. Горячекатаные листы нагревают до температуры Ас₃-100°С и закаливают, после чего подвергают отпуску при температуре 200-400°С и охлаждают водой [2].

Недостатки данного способа состоят в том, что готовые листы имеют недостаточную стойкость против УИНВЭ. Кроме того, изменение содержания химических элементов в стали оказывает существенное влияние на стабильность механических свойств.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства хромоникелевой листовой стали, включающий нагрев плоских заготовок (слябов) до температуры аустенитизации 1200-1300°С, многопроходную реверсивную горячую прокатку на толстолистовом стане 2800 до заданной толщины 20 мм, которую завершают при регламентированной температуре конца прокатки не выше 950°С и обжатии в последнем проходе не менее 15%, нагрев листов в роликовой закалочной печи до температуры не более 940°С и не менее 920°, закалку листов водой и высокий отпуск при температуре 590-640°С [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в следующем. Листы после закалки и отпуска имеют низкие механические свойства, не выдерживают испытания УИНВЭ. Изменение содержания химических элементов в стали в пределах одной марки приводит к нестабильности механических свойств. При прокатке листов малых толщин (не более 7,0 мм), из-за ускоренного их охлаждения не достигается требуемая температура конца прокатки, что снижает выход годного. Кроме того, известный способ требует отдельного нагрева листов для их закалки и увеличенных энергозатрат.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении уровня и стабильности механических свойств листов, повышении их стойкости к ударно-импульсным нагрузкам высокой энергии и выхода годного. Помимо этого, имеет место снижение энергозатрат.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства хромоникелевой листовой стали, включающем нагрев плоских заготовок до температуры аустенитизации, многопроходную реверсивную горячую прокатку, которую завершают при регламентированной температуре конца прокатки, и последующую закалку листов в воде, согласно предложению закалку листов производят после выдержки их на воздухе, причем продолжительность выдержки и температуру конца прокатки устанавливают в зависимости от содержания химических элементов в стали по соотношениям

Т_кп≥850°С и τ≤30 с при 2·C+Ni+Cr=0,90-1,80;

Т_кп≥750°С и τ≤55 с при 2·C+Ni+Cr=1,81-3,40;

Т_кп≥700°С и τ≤65 с при 2·C+Ni+Cr=3,41-4,80,

где Т_кп - температура конца прокатки;

τ - продолжительность выдержки перед закалкой;

τ - продолжительность выдержки перед закалкой;

С, Ni, Cr - содержание в стали углерода, никеля и хрома соответственно, мас.%.

Кроме того, при прокатке листов толщиной не более 7,0 мм относительное обжатие в каждом проходе поддерживают в пределах 30-50%.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В процессе многопроходной реверсивной прокатки и выдержки на воздухе перед закалкой листов из хромоникелевых сталей с бронезащитными свойствами, (выдерживающими УИНВЭ), необходимо сформировать дислокационную и зеренную микроструктуру деформированного аустенита с получением при последующей закалке высокодисперсной микроструктуры мартенсита реечной морфологии, что повышает механические и бронезащитные свойства листов. Поскольку закалку производят при температуре, близкой к температуре конца прокатки, то эта температура должна превышать значений температуры критической точки Ar₃ стали, которая, в свою очередь, снижается с повышением суммарного содержания углерода, хрома и никеля. Помимо этого, после окончания прокатки перед закалкой необходимо выдержать лист на воздухе для старта рекристаллизации и выравнивания формы деформированных аустенитных зерен. Падением температуры при этом можно пренебречь, зато зеренная структура аустенита после выдержки становится более равномерной, вытянутость зерен исчезает. Причем, поскольку скорость рекристаллизации снижается с уменьшением температуры листов, значения τ необходимо увеличивать по мере уменьшения Т_кп. Благодаря этому повышается изотропность механических свойств закаленных листов, их стойкости к УИНВЭ, и, как следствие, возрастает выход годного.

Поэтому температуру конца прокатки и прдолжительность выдержки устанавливают по следующим соотношениям:

Т_кп≥850°С и τ≤30 с при 2·C+Ni+Cr=0,90-1,80;

Т_кп≥750°С и τ≤55 с при 2·C+Ni+Cr=1,81-3,40;

Т_кп≥700°С и τ≤65 с при 2·C+Ni+Cr=3,41-4,80,

где Т_кп - температура конца прокатки;

τ - продолжительность выдержки перед закалкой;

С, Ni, Cr - содержание в стали углерода, никеля и хрома соответственно, мас.%.

При выполнении указанных соотношений исключается необходимость проведения отдельного нагрева под закалку, повышается уровень механических свойств и стойкости против УИНВЭ за счет сохранения деформационной составляющей упрочнения, уменьшается влияние изменений химического состава стали стабильность свойств листов.

Горячая прокатка на реверсивном стане производится на сравнительно низких скоростях и для того, чтобы организовать деформационное циклирование с постоянным измельчением аустенитной структуры при прокатке листов толщиной не более 7,0 мм, обжатие за проход должно быть в пределах 30-50%. Тепло, в которое преобразуется работа деформации, обеспечивает уменьшение падения температуры тонкого листа, а повышенные разовые обжатия уменьшают необходимое число проходов, сокращают общее время прокатки и теплопотери. Благодаря этому, регламентированная температура конца прокатки будет всегда достижима и более стабильна.

Экспериментально установлено, что если:

Т_кп<850°С и τ>30 с при 2·C+Ni+Cr=0,90-1,80%;

Т_кп<750°С и τ>55 с при 2·C+Ni+Cr=1,81-3,40%;

Т_кп<700°С и τ>65 с при 2·C+Ni+Cr=3,41-4,80%,

то температура Т_кп окажется ниже температуры критической точки Ar₃ для стали с конкретным содержанием 2·C+Ni+Cr. В этом случае последний проход при прокатке и закалка листов в воде будет проведена в двухфазной области. Это приведет к снижению стабильности и уровня механических свойств листов, а также к снижению их стойкости против УИНВЭ и выхода годного. Одновременно с этим, увеличение продолжительности выдержки τ приведет к укрупнению зерен микроструктуры, понижению механических свойств, что недопустимо.

Если при прокатке листов толщиной не более 7,0 мм относительное обжатие в каждом проходе будет менее 30%, то это уменьшит адиабатическое тепловыделение при прокатке и увеличит общее число проходов. В результате Т_кп окажется ниже регламентированного значения. Это приведет к снижению механических свойств и выхода годных листов толщиной не более 7,0 мм. Увеличение относительного обжатия в каждом проходе более 50% приведет к потере плоскостности листов, формированию анизотропной микроструктуры. Следствием этого будет снижение стабильности и уровня механических свойств листов, их стойкости против УИНВЭ и выхода годного.

Примеры реализации способа

Для производства листов используют плоские заготовки из среднеуглеродистых хромоникелевых сталей, составы которых представлены в табл.1.

Пример 1. Плоские заготовки толщиной Н₀=200 мм из стали составов 2, 3, 4 нагревают до температуры аустенитизации 1250°С и осуществляют их горячую прокатку на толстолистовом реверсивном стане кварто 2000 до конечной толщины H₁=24 мм за 9 проходов. Поскольку для составов 2, 3, 4 выполняется соотношение 2·C+Ni+Cr=0,90-1,80%, прокатку листов завершают при температуре Т_кп=870°С>850°С. Прокатанные листы после выдержки на воздухе в течение времени τ=20 с, в процессе которой листы транспортируют к закалочной машине, подвергают закалке водой от температуры конца прокатки Т_кп=870°С.

Поскольку для указанного диапазона содержаний 2·C+Ni+Cr температура критической точки Ar₃ ниже температуры конца прокатки - закалки, закаленные из однофазной области листы приобретают высокие и стабильные механические свойства, высокую стойкость против УИНВЭ и максимальный выход годного. Исключение необходимости подогрева листов перед закалкой обеспечивает снижение энергозатрат.

Пример 2. Плоские заготовки толщиной Н₀=180 мм из сталей составов 5, 6, 7 нагревают до температуры аустенитизации 1250°С и осуществляют их горячую прокатку на толстолистовом реверсивном стане кварто 2000 до конечной толщины H₁=14 мм за 7 проходов.

Поскольку для составов 5, 6, 7 выполняется соотношение 2·C+Ni+Cr=1,81-3,40%, прокатку листов завершают при температуре Т_кп=770°С>750°С. Прокатанные листы после выдержки на воздухе в течение 45 с подвергают закалке водой от температуры конца прокатки Т_кп=770°С. Повышение содержания 2·C+Ni+Cr до 1,81-3,40% снижает температуру критической точки Ar₃, поэтому, несмотря на то, что температура закалки снизилась до 770°С, закалка производится из однофазной области γ-железа. Поэтому закаленные листы также приобретают высокие и стабильные механические свойства, высокую стойкость против УИНВЭ и максимальный выход годного. Исключение необходимости подогрева листов перед закалкой обеспечивает снижение энергозатрат.

Пример 3. Для прокатки листов толщиной H₁=6,5 мм (т.е. менее 7,0 мм) используют плоские заготовки толщиной 140 мм.

Прокатку осуществляют с относительными обжатиями в каждом проходе ε=40% по схеме:

140 мм → 84 мм → 50,4 мм → 30,24 мм → 18,14 мм → 10,88 мм → 6,5 мм.

Поскольку при прокатке листов толщиной H₁=6,5 мм на толстолистовом реверсивном стане падение температуры листов происходит интенсивно за счет теплоотдачи валкам и охлаждающей валки воде, то температура конца прокатки самопроизвольно снижается до Т_кп=720°С. Для этого случая необходимо использовать заготовки из стали с содержанием 2·C+Ni+Cr=3,41-4,80%, что соответствует составам 8, 9, 10 таблицы 1, т.к. при указанном содержании химических элементов допускаемая температура Т_кп≥700°С.

Прокатанные с Т_кп=720°C листы толщиной H₁=6,5 мм выдерживают на воздухе в течение времени τ=70 с, после чего закаливают водой.

Повышение содержания 2·C+Ni+Cr до 3,41-4,80% снижает температуру критической точки Ar₃, поэтому, несмотря на то, что температура закалки снизилась за время выдержки τ до 710°С, закалка производится из однофазной области γ-железа. Поэтому закаленные листы также приобретают высокие и стабильные механические свойства, высокую стойкость против УИНВЭ и максимальный выход годного. Исключение необходимости подогрева листов перед закалкой обеспечивает снижение энергозатрат.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в табл.2.

Из табл.2 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2, 3, 5, 6, 8, 9, 10) достигается повышение уровня и стабильности механических свойств листов, повышение их стойкости к ударно-импульсным нагрузкам высокой энергии и выхода годного.

В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты №1, 4, 7, 11), а также способа-прототипа (вариант 12) снижается уровень и стабильность механических свойств листов различных толщин, листы не выдерживают испытания при ударно-импульсных нагрузках высокой энергии, поэтому имеют нулевой выход годного.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что изменение температуры конца прокатки и, следовательно, температуры закалки, в зависимости от содержания в стали углерода, никеля и хрома, обеспечивает гарантированную закалку стали из однофазного состояния деформированного аустенита и формирования в результате закалки реечного мартенсита, имеющего наиболее высокую стойкость против УИНВЭ. Кроме того, при производстве листов толщиной не более 7,0 мм, которые интенсивно теряют температуру, обжатие в каждом проходе 30-50% позволяет минимизировать теплопотери, а выдержка их на воздухе перед закалкой в течение не более 65 с приводит к формированию равноосных зерен микроструктуры, что повышает изотропию механических свойств. Увеличение суммарного содержания 2·C+Ni+Cr до 2,41-4,80% позволяет максимально понизить критическую температуру Ar₃ стали и производить ее закалку при более низких температурах из однофазной аустентной области.

В качестве базового объекта при расчете эффективности предложенного способа принята технология производства листов из среднеуглеродистых хромоникелевых сталей на металлургическом предприятии «Красный Октябрь». Внедрение предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства листов специального и универсальных назначений на 20-25%.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:

1. Заявка №61-163210, Япония, МПК С21D 8/00, 1986 г.

2. Заявка №61-223125, Япония, МПК С21D 8/02, С22С 38/54, 1986 г.

3. Патент Российской Федерации №2191833, МПК С21D 8/02, 2002 г. - прототип.