Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОЙ ТОЛСТОЛИСТОВОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении высокопрочной листовой стали толщиной 8,0-40,0 мм для изготовления платформ и других тяжело нагруженных деталей грузовых автомобилей, работающих в условиях Крайнего Севера.

При изготовлении упомянутых сварных конструкций транспортных и горнодобывающих машин используют термоулучшенный горячекатаный листовой прокат. Горячекатаные листы после термического улучшения должны сочетать высокую прочность, вязкость при отрицательных температурах и стойкость против абразивного износа. Требуемый комплекс свойств горячекатаных листов в состоянии поставки приведен в табл.1.

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

Недостатки известного способа состоят в том, что горячекатаные листы после термического улучшения (закалки с отпуском) имеют низкие вязкостные свойства и недостаточную прочность.

Известен также способ производства высокопрочных листов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры не выше 1150°C и горячую прокатку за несколько проходов с суммарным обжатием не менее 30% и с температурой конца прокатки 900-950°C. Горячекатаные листы нагревают до температуры Ac₃÷1000°C и закаливают, после чего подвергают отпуску при температуре 200-400°C и охлаждают водой [2].

Недостатки данного способа состоят в том, что готовые листы имеют низкие вязкостные свойства. Кроме того, колебания содержаний химических элементов в стали оказывают существенное влияние на уровень и стабильность механических свойств, что снижает выход годного.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства толстолистового проката из свариваемой хромомарганцевой стали, включающий разливку стали в слябы, их нагрев до 1230°C, многопроходную горячую прокатку в листы в регламентированном температурном диапазоне, закалку водой и отпуск, согласно которому горячую прокатку осуществляют с суммарным относительным обжатием не менее 50% и завершают при температуре 830-950°C, закалку листов осуществляют от температуры 850-940°C, а отпуск ведут при температуре 600-690°C, причем сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Недостатки данного способа состоят в том, что толстолистовая сталь имеет низкий и нестабильный комплекс механических свойств, особенно при отрицательных температурах. Это, в свою очередь, приводит к снижению выхода годного.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении комплекса механических свойств и выхода годного.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства высокопрочной толстолистовой стали, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов в регламентированном температурном интервале, закалку водой и отпуск, в отличие от ближайшего аналога непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, мас.%:

отлитые слябы дополнительно подвергают отжигу при температуре 640-660°C, после чего производят нагрев до температуры 1200-1260°C и подвергают горячей прокатке, температуру конца чистовой прокатки устанавливают 870-950°C.

Сущность изобретения состоит в следующем. Конечные механические и функциональные свойства листовой стали определяются одновременно ее химическим составом, температурными режимами прокатки, закалки и отпуска. В процессе проведения экспериментальных исследований осуществляли варьирование всех значимых факторов, включая химический состав стали и температурные режимы производства, добиваясь получения заданных и стабильных механических свойств, что увеличивает выход годного. Было установлено следующее.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,13% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,18% ухудшается ударная вязкость и износостойкость стали.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,40% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,60% снижается пластичность, сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,70% резко снижается износостойкость листовой стали. Увеличение содержания марганца более 0,90% приводит к снижению вязкости при отрицательных температурах, ухудшению пластичности, снижению выхода годного.

Хром повышает прочность, вязкость и износостойкость стали. При его концентрации менее 1,3% прочность, вязкость и износостойкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 1,6% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов, снижению выхода годного листового термоулучшенного проката.

Алюминий дораскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,02% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания этого элемента более 0,07% ведет к нестабильности вязкостных свойств и снижению выхода годного листового проката.

Ниобий способствуют измельчению микроструктуры стали по толщине листа, повышению хладостойкости и прочности. Мелкие карбиды ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокаций и тем самым упрочняют сталь. Однако, если содержание ниобия будет более 0,06%, произойдет снижение выхода годного, ухудшится свариваемость стали. При снижении содержания ниобия менее 0,03% не достигается высокая ударная вязкость при отрицательных температурах и ухудшается износостойкость листовой стали.

Титан, являясь сильным карбидообразующим элементом, способствует повышению прочностных свойств полос при одновременном повышении ударной вязкости при отрицательных температурах. Снижение содержания титана менее 0,01% приводит к снижению прочностных и вязкостных свойств листов. Увеличение содержания титана более 0,06% приводит к снижению механических свойств и выхода годной листовой стали.

Кальций является модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает серу в глобулярные сульфиды, повышая вязкостные свойства стали. При концентрации кальция менее 0,002% его модифицирующее действие проявляется недостаточно. Увеличение концентрации кальция более 0,030% увеличивает количество и размеры неметаллических включений, ухудшает ударную вязкость при отрицательных температурах и снижает выход годного листового проката.

Никель и медь способствуют повышению пластических и вязкостных свойств толстолистовой стали. Однако увеличение содержания никеля более 0,30% или меди более 0,30% приводит к возрастанию в фазовом составе листовой стали после закалки остаточного аустенита, что является причиной ухудшения механических свойств.

Азот в химических соединениях с титаном, ванадием и другими легирующими элементами упрочняет сталь по механизму дисперсионного твердения. Однако увеличение содержания азота более 0,010% снижает пластичность стали и ее вязкостные свойства.

Для выравнивания механических свойств и исключения трещинообразования отлитые слябы подвергают отжигу при 640-660°C. Снижение температуры отжига менее 640°C не исключает наличия трещин в слябах, что снижает выход годного. Повышение температуры отжига выше 660°C не ведет к дальнейшему повышению качества и выхода годной металлопродукции, а лишь увеличивает затраты на производство.

Было также установлено, что при температуре начала прокатки слябов из стали предложенного химического состава 1200-1260°C обеспечивается ее аустенитизация, полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, легирующих и примесных соединений, карбидных упрочняющих частиц. При температуре начала прокатки выше 1260°C имеет место интенсивное окисление границ кристаллитов, образование трещин и снижение выхода годного, а при температуре начала прокатки ниже 1200°C ухудшается комплекс механических свойств листов.

Процесс прокатки происходит с непрерывным падением температуры металла, которая к моменту окончания прокатки листов снижается до значения Т_кп=870-950°C, что способствует интенсификации выделения упрочняющих карбидных и карбонитридных частиц, измельчению зеренной микроструктуры стали. При Т_кп ниже 870°C предложенная сталь приобретает двухфазный состав, неравномерный размер зеренной микроструктуры, толстолистовая сталь сохраняет анизотропию свойств, имеет место ухудшение комплекса механических свойств и снижение выхода годного. При Т_кп выше 950°C имеет место интенсивный и неравномерный рост зерен микроструктуры, снижение вязкостных свойств при отрицательных температурах и уменьшение выхода годного.

Примеры реализации способа

Стали различного химического состава выплавляют в кислородном конвертере с использованием металлического лома. В ковше сталь раскисляют ферросилицием, ферромарганцем, легируют феррохромом, ферротитаном, вводят металлические алюминий и ниобий. Кальций вводят в расплав в виде силикокальция, никель и медь попадают в расплав из металлического лома. Выплавленные стали подвергают дегазации путем вакуумирования для удаления водорода и снижения содержания азота до концентраций N≤0,010%. Химический состав выплавленных сталей приведен в табл.2.

Сталь с составом №3 подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 250 мм. Слябы после разливки помещают в ямы-термостаты, где происходит их замедленное охлаждение до температуры ~90°C. Охлажденные слябы вновь подогревают до температуры 300°C и производят зачистку с удалением дефектов. Зачищенные слябы помещают в камерную печь и производят их отжиг при температуре Т_о=650°C.

Отожженные слябы нагревают в методической печи до температуры начала прокатки T_нп=1200°C и прокатывают за 12 проходов на толстолистовом реверсивном стане 5000 в листы толщиной H=20 мм. Во время прокатки (в проходах и паузах между проходами) происходит снижение температуры (остывание) листов. Прокатку в последнем проходе ведут при температуре T_кп=910°C.

Прокатанные листы укладывают в штабель, где они замедленно охлаждаются на воздухе.

Прокатанные листы затем нагревают под закалку до температуры T_з=915°C и подвергают закалке водой в роликовой закалочной машине. Закаленные листы в дальнейшем подвергают отпуску путем нагрева и выдержки при температуре T_отп=650°C.

После термического улучшения от листов отбирают пробы, производят испытания механических свойств и после разбраковки определяют выход годного Q.

Варианты реализации способа производства высокопрочной свариваемой листовой стали и показатели их эффективности приведены в табл.3.

Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенные режимы производства высокопрочной толстолистовой стали (варианты №2-4) обеспечивают повышение комплекса механических свойств, благодаря чему достигается максимальный выход годного: Q=98,3-98,8%.

При запредельных значениях концентраций химических элементов в стали, температурных режимов горячей прокатки, закалки и отпуска (варианты №1 и №5) а также использовании способа - ближайшего аналога [3] имеет место снижение комплекса механических свойств готовых листов и выхода годного Q. В этих случаях листовую сталь используют для менее ответственного назначения.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что дополнительный гомогенизирующий отжиг непрерывно литых слябов предложенного химического состава при температуре 640-660°C, а также одновременная оптимизация химического состава стали, температурных режимов горячей прокатки, и последующей закалки с отпуском позволяют повысить комплекс механических свойств высокопрочной толстолистовой стали. Благодаря этому увеличивается выход годного.

Источники информации

1. Заявка №61-163210, Япония. МПК C21D 8/00, 1986 г.

2. Заявка №61-223125, Япония. МПК C21D 8/02, C22C 38/54, 1986 г.

3. Патент Российской Федерации №2455105, МПК B22D 11/00, 2012 г.