Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВ

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству толстых листов из низколегированной хромосодержащей стали, используемых при изготовлении сварных кузовов большегрузных самосвалов.

Толстые листы из низколегированной стали, которые используют при изготовлении кузовов большегрузных самосвалов, должны обладать следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Известен способ производства высокопрочной низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 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 горячекатаные листы после термического улучшения (закалки с отпуском) имеют низкую прочность и вязкость при отрицательных температурах.

Известен также способ производства высокопрочных листов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 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 - 1000°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 низкие вязкостные и пластические свойства, большую неплоскостность.

Наиболее близким аналогом по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства листов из низколегированной хромосодержащей стали, включающий нагрев слябов под прокатку до температуры 1200-1300°С, многопроходную горячую прокатку в регламентируемом температурном диапазоне при температуре конца прокатки 900-1000°С, последующий нагрев до температуры 920-940°С, закалку водой и отпуск при температуре 590-640°С [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что горячекатаные листы после прокатки и термического улучшения (закалка + отпуск) имеют низкие механические свойства (нестабильную и недостаточную пластичность и ударную вязкость), а также большую неплоскостность. Это приводит к снижению выхода годных листов.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении механических свойств, снижении неплоскостности и увеличении выхода годных листов.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе производства листов из низколегированной хромосодержащей стали, включающем нагрев слябов под прокатку до температуры 1200-1260°С, многопроходную горячую прокатку в регламентируемом температурном диапазоне, согласно предложению, многопроходную прокатку завершают при температуре 800-920°С, после чего листы охлаждают водой до температуры 450-600°С, а затем завершают охлаждение листов на воздухе. Кроме того, в процессе охлаждения листов водой их подвергают правке знакопеременным изгибом.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Закалка листов из низколегированной стали с отдельного нагрева, как это предусмотрено в способе - прототипе, приводит к формированию микроструктуры, которая представляет из себя реечный мартенсит с дислокационной субструктурой, а после отпуска закаленной стали образуется большое количество частиц карбидов, в основном цементита, и карбонитридов, значительная часть которых располагается по границам кристаллов мартенсита, что ухудшает ударную вязкость при отрицательных температурах. Так, после отпуска закаленной стали внутри кристаллов мартенсита с дислокационной структурой не протекают процессы полигонизации с образованием микрозерен мягкого феррита, что предполагает сохранение высоких прочностных свойств стали, микро- и макронапряжений. В результате снижается пластичность и сохраняется высокая неплоскостность листов даже после многократной холодной правки в роликоправильной машине.

В предложенном изобретении при нагреве слябов из низколегированной хромосодержащей стали под прокатку до температуры 1200-1260°С происходит полное растворение в аустените карбидов и карбонитридов. В температурном диапазоне от 1200-1260°С до температуры конца прокатки 800-920°С низколегированная сталь сохраняет высокую технологическую пластичность, на листах отсутствуют дефекты в виде трещин, разрывов и несплошностей. Последующее охлаждение листов от температуры конца прокатки до температуры 450-600°С из состояния деформированного аустенита приводит к образованию структуры, которая представляет из себя смесь фаз различных морфологий. Основу структуры составляют реечные кристаллы толщиной до 1 мкм, которые можно характеризовать как игольчатый феррит. В этих кристаллах игольчатого феррита присутствуют двойники, а также частицы карбидов хрома, что свидетельствует об отсутствии в кристаллической решетке заметного количества растворенного углерода. На периферии образовавшихся α-участков, состоящих из кристаллов игольчатого феррита, наблюдается в форме окантовки скопление мелких кристаллов сильно двойникового мартенсита, характерного для высокоуглеродистых сталей. Наличие такого мартенсита в низколегированной хромосодержащей стали свидетельствует о диффузионном перераспределении углерода в процессе γ→α превращения с повышением его концентрации в непревращенном на начальном этапе аустените, из которого при последующем превращении образуется не только высокоуглеродистый мартенсит, но и другие фазы: бейнит и перлит.

В результате закалки деформированного аустенита образуется конгломерат фаз, от очень твердых - двойниковый мартенсит до мягких - перлит, что приводит в процессе нагружения металла как при испытании, так и при эксплуатации к релаксации пиковых напряжений, возникающих прежде всего в твердых мартенситных кристаллах с перераспределением их на менее твердые фазы перлита и феррита, что повышает сопротивляемость стали хрупкому разрушению, и пластичность, и вязкость при отрицательных температурах.

Образование гетерогенной структуры в результате реализации предлагаемого изобретения позволяет также снизить неплоскостность листов, т.к. их правки осуществляются в процессе закалки, т.е. одновременно с протеканием фазовых превращений. Дополнительное повышение технологической пластичности, возникающее при протекании фазовых превращений, позволяет эффективно устранить неплоскостность и снизить внутренние напряжения в макрообъеме металла.

В результате достигается повышение механических свойств и снижение неплоскостности благодаря чему увеличивается выход годных листов.

Экспериментально установлено, что повышение температуры нагрева под прокатку более 1260°С приводит к окислению границ зерен низколегированной хромосодержащей стали, чрезмерному их росту, что ухудшает свойства готовой толстолистовой стали. Снижение температуры нагрева менее 1200°С не обеспечивает полного растворения карбидов и карбонитридов. В результате ухудшается гомогенность микроструктуры, снижаются механические свойства готовых толстых листов.

При температуре конца прокатки выше 940°С происходит ухудшение свойств стали из-за чрезмерного роста зерен микроструктуры. Помимо этого последующее охлаждение водой (закалка) от температуры выше 940°С с одновременной правкой листов или без нее, приводит к формированию неблагоприятной микроструктуры реечного бейнита, что ухудшает вязкостные свойства листовой стали при отрицательных температурах и пластичность. Снижение температуры конца прокатки менее 800°С снижает интенсивность вторичного выделения карбонитридных фаз из матрицы, а правка с одновременной закалкой от этой температуры не обеспечивает требуемой пластичности и высокой плоскостности листов. В результате снижается комплекс механических свойств, возрастает неплоскостность толстых листов из низколегированной хромосодержащей стали, сокращается выход годного.

Охлаждение листов водой, в том числе во время их правки знакопеременным изгибом, до температуры выше 600°С не приводит к упрочнению низколегированной хромосодержащей стали и получению гетерогенной многофазной структуры. Формируемая структура перлита и феррита дает низкую прочность и низкую ударную вязкость при отрицательных температурах. В то же время охлаждение листов водой ниже 450°С, как при правке, так и без нее, приводит к образованию однофазной структуры реечного мартенсита с дислокационной субструктурой с повышенной прочностью и низкой пластичностью, что не дает получить требуемый угол изгиба и высокую плоскостность листов. Одновременно с этим, завершение охлаждения листов от температуры 450-600°С на воздухе обеспечивает их самоотпуск, снятие внутренних напряжений, повышение пластических и вязкостных свойств толстых листов из низколегированной хромосодержащей стали, увеличение выхода годного.

Пример реализации способа

При производстве толстых листов для изготовления кузовов большегрузных самосвалов используют слябы толщиной 200 мм из низколегированной хромосодержащей стали марки 18ХГНМФР следующего химического состава, мас.%:

Слябы нагревают в методической печи до температуры Т_н=1230°С и прокатывают на толстолистовом стане 2800 за 10 проходов с понижением температуры до конечной толщины 14 мм. Температура листа в последнем проходе составляет Т_кп=860°С.

После заключительного чистового прохода прокатанный лист при температуре Т_кп=860°С подают в роликоправильную машину, где одновременно с правкой знакопеременным изгибом, подвергают интенсивному охлаждению водой, т.е. закалке. Охлаждение листа водой ведут до температуры листа T_з=525°С. При достижении этой температуры закалку листа прерывают и его завершающее охлаждение до температуры окружающей среды осуществляют на воздухе. В процессе завершающего охлаждения на воздухе происходит самоотпуск листа со снятием фазовых и термических напряжений.

Благодаря тому, что правку листа знакопеременным изгибом проводят одновременно с протеканием в стали фазовых превращений (использование эффекта динамической сверхпластичности), повышается технологическая пластичность низколегированной хромосодержащей стали, и, одновременно с повышением механических свойств, достигается снижение неплоскостности листа. Помимо этого знакопеременный изгиб дополнительно стимулирует выпадение упрочняющих карбонитридных частиц. В результате имеет место увеличение выхода годного.

Готовые листы из низколегированной хромосодержащей стали марки 18ХГНМФР характеризуются временным сопротивлением разрыву σ_в=1170 Н/мм², пределом текучести σ_0,2=990 Н/мм², пластичностью δ₅=18%, ударной вязкостью при температуре -40°С KCU^-40=48 Дж/см², холодный изгиб без образования трещин на 180 градусов.

В табл.2 приведены варианты реализации предложенного способа, а в табл.3 - механические свойства листов из стали марки 18ХГНМФР.

Из табл.2 и 3 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение пластичности, вязкости при отрицательных температурах, холодного изгиба образцов. За счет этого имеет место увеличение выхода годного. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1 и 5) имеет место понижение пластичности и вязкости листовой стали при отрицательных температурах, снижается угол изгиба образцов до появления трещин, возрастает неплоскостность листов, снижается выход годного. В случае применения способа-прототипа (вариант №6) ухудшается комплекс механических свойств и плоскостность листов, такая толстолистовая сталь непригодна для изготовления кузовов большегрузных самосвалов.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что при его реализации обеспечивается формирование оптимального фазового состава и микроструктуры толстолистовой хромосодержащей стали. Это достигается за счет деформирования листов в заданном температурном интервале, охлаждения водой деформированного аустенита, в том числе непосредственно в процессе правки также в заданном температурном интервале, т.е. при реализации прерванной закалки с прокатного нагрева. Завершающее охлаждение на воздухе закаленных от температуры 450-600°С листов обеспечивает их отпуск. В результате толстолистовая низколегированная хромосодержащая сталь приобретает уникальное сочетание свойств: высокую прочность, вязкость, пластичность. Правка листов знакопеременным изгибом в процессе прерванной закалки при их охлаждении водой обеспечивает существенное снижение неплоскостности, т.к. при этом реализуется эффект пластичности фазовых превращений.

По сравнению со способом-прототипом, в котором используют отдельный нагрев под закалку и отпуск, в предложенном способе все термические операции объединены в одном тепловом цикле, т.е. используют тепло прокатного нагрева. Это является дополнительным преимуществом предложенного способа.

В качестве базового объекта при определении эффективности предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства листовой низколегированной стали для металлоконструкций на 15-20%.

Источники информации

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 РФ №2191833, МПК С21D 8/02, опубл. 2002 г. - прототип.