Результат интеллектуальной деятельности: Способ производства листового проката из хладостойкой стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к производству листового проката из стали класса прочности 500-900 МПа с хладостойкостью до минус 70°С, применяемого для объектов металлургической, нефтегазовой отраслей промышленности, строительства, транспортного и тяжелого машиностроения, мостостроения, производства подъемных механизмов и средств транспортировки грузов, работающих в экстремальных условиях Крайнего Севера.

Известен способ производства высокопрочной листовой стали, включающий получение непрерывнолитого сляба следующего химического состава, мас.%:

при этом осуществляют нагрев сляба, горячую прокатку, закалку листов при температуре 930-980°С, а отпуск при температуре 500-600°С (патент РФ №2599654, C21D 8/02).

Основным недостатком указанного способа производства является недостаточная стабильность характеристик работоспособности листового проката при температурах ниже минус 40°С, что не позволяет использовать данный прокат в условиях низких температур. Также недостатком известного способа является то, что состав имеет широкий диапазон легирующих элементов с более высоким их содержанием (ванадий, хром, молибден, ниобий и никель), что приводит к увеличению себестоимости производимой продукции.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ производства высокопрочного хладостойкого листового проката из низколегированной стали, включающий непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев в интервале температур 1180-1250°С, многопроходную горячую прокатку листов, закалку водой при температуре 920-970°С с последующим отпуском, при этом осуществляют непрерывную разливку стали, содержащей, мас.%:

причем температуру конца чистовой прокатки устанавливают от 860 до 980°С, а отпуск проводят при температуре 500-650°С (пат. РФ №2674797, C21D 8/02, С22С 38/00).

Недостатками указанного способа являются низкие прочностные и пластические свойства стали при температурах до минус 70°С, а также низкий уровень ударной вязкости стали при отрицательных температурах, вследствие повышенного содержания бора.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в получении качественного листового проката, эксплуатируемого в условиях Крайнего Севера, обладающего высоким уровнем механических характеристик, а также хладостойкостью до минус 70°С.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в получении требуемого комплекса свойств путем подбора оптимального химического состава стали и рационального режима ее термической обработки.

Поставленный результат достигается тем, что в способе производства листового проката из хладостойкой стали, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев до температуры 1180-1250°С, многопроходную горячую прокатку листов с температурой конца чистовой прокатки 860-980°С, закалку водой с последующим отпуском, согласно изобретению, осуществляют непрерывную разливку стали, содержащей, мас.%:

при этом закалку проводят в интервале температур от 850°С до менее 920°С с последующим отпуском при температуре 550-700°С.

Комплекс эксплуатационных и механических свойств заявляемого листового проката определяется микроструктурно-фазовым состоянием стали, которое зависит от химического состава и проводимой термической обработки.

Заявляемый химический состав стали выбран с учетом следующих особенностей.

Углерод является одним из упрочняющих элементов в стали. С целью обеспечения свариваемости, высоких показателей пластичности, низкотемпературной ударной вязкости, снижения хрупкости и исключения вероятности образования холодных трещин, содержание углерода в стали не должно превышать 0,25%. В то же время при концентрации углерода менее 0,15% не достигается требуемая прочность и твердость стали.

Кремний вводится для дополнительной прокаливаемости и отпускоустойчивости стали, раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства, а именно ударную вязкость и температурный запас вязкости. При содержании кремния менее 0,35% прочность стали недостаточна, а при концентрации более 0,60% снижается ударная вязкость и пластичность стали, что приводит к ее охрупчиванию.

Марганец способствует твердорастворному упрочнению металла и повышению прочностных характеристик готового проката. Данный элемент в стали в количестве 1,30-1,90% обеспечивает раскисление стали, измельчает зерно и увеличивает вязкость феррита. При содержании марганца менее 1,30% упрочняющий эффект от него недостаточен. Содержание марганца свыше 1,9% приводит к получению неравновесных структур и, следовательно, к образованию трещин, а также к снижению ударной вязкости при низких температурах.

Легирование молибденом повышает прочность и коррозионную стойкость металла. Однако при увеличении его содержания возрастает себестоимость легирования, поэтому концентрацию молибдена ограничивают до 0,30%.

Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,02% его влияние недостаточно, вязкостные свойства стали ухудшаются. При увеличении содержания этого элемента более 0,07% он связывает азот, что ведет к снижению прочностных характеристик в связи с образованием неметаллических включений.

Хром повышает прочность, вязкость и износостойкость стали. Увеличение содержания хрома более 0,15% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов.

Никель повышает вязкость стали, а также способствует повышению пластических свойств листовой стали при пониженных температурах эксплуатации, что понижает хладноломкость стали. Ограничение содержания никеля связано с его дефицитностью и дороговизной.

Добавление меди в пределах до 0,10%, повышает прочность и коррозионную стойкость стали, понижает склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением. Большее содержание меди нецелесообразно ввиду дополнительных экономических затрат, а также опасности возникновения красноломкости.

Титан, являясь сильным карбидообразующим элементом, способствует повышению прочностных свойств проката при одновременном повышении ударной вязкости при отрицательных температурах. При содержании титана выше 0,015% избыточное количество образующихся карбонитридов значительно упрочняет сталь и снижает пластичность, что приводит к снижению вязкостных свойств металла.

Ванадий значительно повышает пластичность и ударную вязкость сталей в нормализованном состоянии и немного улучшает их прочностные характеристики, так как является хорошим раскислителем. Содержание ванадия более 0,01% могут привести к хрупкости и красноломкости стали.

Микролегирование стали ниобием в указанных пределах способствует получению дислокационной микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание требуемых прочностных и пластических свойств металла. Мелкодисперсные карбиды ниобия препятствуют росту зерна аустенита в процессе горячей прокатки, что способствует получению мелкозернистой структуры. При содержании ниобия более 0,008% он значительно подавляет процессы рекристаллизации при деформационной обработке.

Микролегирование сталей бором оказывает большое влияние на комплекс механических свойств стали - в самых минимальных концентрациях он значительно повышает прокаливаемость стали. Данный состав стали предполагает содержание бора до менее 0,001%, это связано с тем, что при большем его содержании возможно снижение горячей пластичности и ударной вязкости стали.

Сера и фосфор в стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть минимальной. Сера отрицательно влияет на изотропность механических свойств стали, пластичность и вязкость при низких температурах.

Увеличение содержания фосфора приводит к снижению ударной вязкости при отрицательных температурах, оказывая резко отрицательное действие на хладостойкость стали. При концентрации серы не более 0,005% и фосфора и не более 0,013% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.

Азот обеспечивает упрочнение стали за счет выделения из твердого раствора мелкодисперсных нитридных и карбонитридных частиц. При содержании азота менее 0,001% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания азота более 0,008% ведет к снижению вязкостных свойств листовой стали при отрицательных температурах.

Таким образом, заявляемый химический состав стали обеспечивает высокий уровень хладостойкости и трещиностойкости при температурах до минус 70°С.

Заявляемые температурные режимы обусловлены следующими особенностями.

Нагрев слябов из стали заявленного химического состава до температуры не ниже 1180°С обеспечивает ее аустенитизацию, полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, нитридов, легирующих и примесных соединений, карбонитридных упрочняющих частиц. Благодаря этому повышается технологическая пластичность и деформируемость стали при прокатке. Нагрев слябов выше 1250°С нецелесообразен из-за чрезмерного роста аустенитного зерна и энергетических затрат.

Далее проводят многопроходную горячую прокатку листов, причем температуру конца чистовой прокатки устанавливают 860 - 980°С. Для обеспечения однородности фазового состава стали за счет окончания пластической деформации всех участков листа в нижней части аустенитной области, чистовую стадию горячей прокатки заканчивают при температуре не менее 860°С. При температуре более 980°С не обеспечивается требуемый уровень пределов текучести и прочности.

Закалка водой горячекатаных листов осуществляется при температуре от 850°С до менее 920°С. Температура менее 850°С не обеспечивает стабильного получения заданных прочностных свойств, а температура выше 950°С приводит к недопустимому снижению ударной вязкости листовой стали при низких температурах.

Для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости и получения требуемой структуры и механических свойств закаленной стали, ее подвергают отпуску в интервале температур 550-700°С. Указанный интервал температур обеспечивает получение наилучшего сочетания прочности и вязкости. В результате происходит практически полное снятие внутренних напряжений и образование структур в виде сорбита и троостита отпуска в зависимости от температуры.

Отпуск закаленных листов при температуре выше 700°С нецелесообразен, так как снижает прочностные свойства листового проката ниже допустимого уровня. Температура отпуска ниже 550°С не достигается уровень пластических и вязкостных свойств высокопрочных листов, что уменьшает их выход годного.

Таким образом, заявляемые температурные режимы производства листового проката позволяют сформировать оптимальный фазовый состав с комплексом высоких эксплуатационных и механических свойств стали.

Требуемый комплекс свойств листового проката после термической обработки по режимам закалки и последующего отпуска представлен в таблице 1.

Пример осуществления способа

Выплавку стали выбранных систем легирования осуществляли с использованием вакуумной индукционной печи ZG-0.06L. В качестве исходной металлошихты использовалось технически чистое железо (Армко-железо). Для обеспечения требуемого химического состава в расплав вводились легирующие добавки в виде ферросплавов или чистых металлов (табл. 2).

Нагрев заготовок под прокатку производился в электрической камерной печи с выкатным подом ПВП-300. Температура нагрева металла под прокатку составляла 1180-1250°С. Заготовки загружались в разогретую печь, время выдержки определялось из расчета 2,5 минуты на 1 мм толщины.

Обжатие слитков проводили с применением гидравлического пресса (черновая стадия) и одноклетьевого реверсивного стана горячей прокатки 500 ДУО (чистовая стадия). Температура конца чистовой прокатки варьировалась в диапазоне от 860 до 980°С.

Термическую обработку (дополнительный нагрев под закалку, отпуск) проката осуществляли в электрической камерной печи по режимам закалки с температуры 850-950°С и последующим отпуском при температуре 550-700°С (табл. 3).

Результаты анализа полученных микроструктур образцов свидетельствуют, что после операции закалки все образцы имеют структуру реечного мартенсита. После отпуска образуются карбиды, мартенсит обедняется углеродом и распадается на феррито-цементитную смесь, которая представляет собой троостосорбит отпуска или сорбит отпуска. Причем с повышением температуры отпуска с 550 до 700°С в микроструктуре стали реечное строение α-фазы нарушается, количество стерженьковых карбидных частиц уменьшается, а растет число карбидных частиц сферической формы, что свидетельствует о развитии интенсивного процесса сфероидизации.

Далее из полученных раскатов изготавливались образцы для проведения механических испытаний на растяжение, твердость и ударный изгиб (табл. 4).

Механические свойства определяли по стандартным методикам:

- испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497-84;

- испытания на ударный изгиб проводили в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с V-образным надрезом при температуре -70°С;

- испытание на твердость по Бринеллю проводили в соответствии с ГОСТ 9012-59.

Результаты испытаний, представленные в таблице 3, показали, что в листовой стали, полученной по предложенному способу (опыты №2-5), достигается сочетание необходимых прочностных, пластических и вязкостных свойств. В случаях отклонений от заявленных параметров (опыты №1 и 6), а также при использовании способа-прототипа не обеспечивается заявленный комплекс механических свойств.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает достижение высокого уровня механических характеристик, а также повышенной хладостойкости до минус 70°С: временное сопротивление разрыву 580-950 Н/мм²; относительное удлинение не менее 20%; твердость по Бринеллю -160-280 ед, работа удара KV^-70 не менее 80 Дж.