Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОЙ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству толстолистового проката из высокопрочной низколегированной стали для кранового производства и легкой транспортной техники.

Листовой прокат для изготовления металлоконструкций кранов большой грузоподъемности должен сочетать высокую прочность, ударную вязкость и свариваемость, подвергаться изгибу с минимальными радиусами (как вдоль, так и поперек направления прокатки). Требуемый комплекс свойств горячекатаных листов в состоянии поставки приведен в таблице 1.

Известен способ производства стальных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали, содержащей по массе, %: углерод 0,04-0,10, кремний 0,01-0,50, марганец 0,4-1,5, хром 0,05-1,0, молибден 0,05-1,0, ванадий 0,01-0,1, бор 0,0005-0,005, алюминий 0,001-0,1, железо и примеси - остальное.

Отлитые слябы нагревают до температуры 1250°С и прокатывают с суммарным обжатием не менее 75%. Прокатанные листы подвергают закалке из аустенитной области и высокотемпературному отпуску (JP, заявка №61-163210, МПК C21D 8/00, 1986 г.).

Недостатки известного способа состоят в том, что листовая сталь имеет низкие пластические и вязкостные свойства при отрицательных температурах. Дополнительное проведение термического улучшения (закалка + отпуск) после прокатки не обеспечивает повышения комплекса механических свойств листов до требуемого уровня.

Известен также способ производства высокопрочных листов из стали марки 17ГС (ГОСТ 19281-89) следующего химического состава, мас. %: углерод 0,14-0,20, марганец 1,0-1,4, кремний 0,4-0,6, хром не более 0,30, никель не более 0,30, медь не более 0,30, фосфор не более 0,035, сера не более 0,040, мышьяк не более 0,08, азот не более 0,008, железо - остальное.

Слябы нагревают в методической печи до температуры 1220-1280°С, подвергают черновой прокатке в температурном интервале 1050-1180°С до промежуточной толщины 30-40 мм и чистовой прокатке в регламентированном температурном интервале 900-1050°С. Для повышения механических свойств горячекатаные листы подвергают термическому улучшению (закалке и высокому отпуску) (Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989 г., с. 242-244, 268).

Недостатком известного способа являются низкие прочностные свойства при заданном комплексе остальных механических свойств листовой стали.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий изготовление слябов из стали следующего химического состава, мас. %: углерод 0,07-0,12, марганец 1,4-1,7, кремний 0,15-0,50, ванадий 0,06-0,12, ниобий 0,03-0,05, титан 0,010-0,030, алюминий 0,02-0,05, хром не более 0,3, никель не более 0,3, медь не более 0,3, сера не более 0,005, фосфор не более 0,015, азот не более 0,010, железо - остальное.

Слябы нагревают до температуры 1160-1190°С, подвергают черновой прокатке, чистовой прокатке с суммарным относительным обжатием не менее 70% и температурой конца прокатки не выше 820°С, после чего листы закаливают водой от температуры 900-950°С и подвергают высокотемпературному отпуску при 600-730°С (патент РФ №2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58).

Листы, изготовленные из данной стали, имеют предел прочности σ_в=590-690 Н/мм², предел текучести σ_в=480-580 Н/мм², ударную вязкость при температуре -20°С (KCV) не менее 49 Дж и не менее 69 Дж при температуре -60°С (KCU).

Недостатком прототипа является то, что листовая сталь после закалки и высокотемпературного отпуска имеет недостаточно высокие прочностные и вязкостные свойства.

Технический результат изобретения состоит в повышении прочностных и вязкостных свойств экономнолегированной толстолистовой стали.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе производства высокопрочной листовой стали, включающем получение непрерывнолитого сляба, его нагрев, горячую прокатку, закалку и отпуск листов, в отличие от ближайшего аналога непрерывнолитой сляб получают из стали следующего химического состава, мас. %:

при этом закалку осуществляют при температуре 930-980°С, отпуск проводят при температуре 500-600°С. Состав стали дополнительно содержит бор в диапазоне 0,001-0,005, мас. %.

Сущность изобретения состоит в том, что конечные механические и функциональные свойства листовой стали определяются как ее химическим составом, так и температурными режимами закалки и отпуска. В процессе проведения экспериментальных исследований осуществляли варьирование всех значимых факторов, добиваясь стабильного получения высоких прочностных характеристик толстолистовой стали при сохранении достаточно высоких показателей пластичности и вязкости.

Углерод в низколегированной стали заявленного состава определяет ее прочность. Содержание углерода менее 0,07% приводит к снижению прочностных свойств ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,12% ухудшает пластические и вязкостные свойства стали.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 1,1% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания марганца более 1,7% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали.

При содержании кремния менее 0,05% ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства стали. Увеличение содержания кремния более 0,30% приводит к возрастанию количества силикатных включений, снижает ударную вязкость и свариваемость стали.

Содержание ванадия более 0,07% приводит к ухудшению свариваемости стали и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование. При содержании ванадия менее 0,03% прочностные свойства стали не достигают требуемого уровня.

Добавки ниобия в указанных пределах служат целям дисперсионного упрочнения, а также препятствуют росту аустенитного зерна и способствуют появлению при охлаждении субзеренной структуры, закрепляемой и стабилизируемой дисперсными карбидными частицами. При содержании ниобия менее 0,02% не обеспечивается достаточное упрочнение. Увеличение содержания ниобия более 0,09% приводит к ухудшению свариваемости стали и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. При содержании титана менее 0,003% снижается прочность горячекатаных листов. Содержание титана 0,005% и выше не обеспечивает дальнейшего улучшения свойств листовой стали, поэтому нецелесообразно.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. При концентрации менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, что ухудшает механические свойства стали. Увеличение его содержания более 0,05% графитизирует углерод, что также ухудшает качество.

Хром повышает прочность стали. При его концентрации менее 0,30% прочностные свойства не достигают оптимальных значений. Увеличение содержания хрома более 0,70% приводит к потере пластичности.

Никель способствует повышению пластических и вязкостных свойств листовой стали при пониженных температурах эксплуатации. При содержании никеля менее 0,90% показатели пластичности и ударной вязкости снижаются, уменьшается выход годного. Увеличение содержания никеля более 1,20% приводит к увеличению себестоимости при прочих равных характеристиках.

Добавление молибдена в указанном диапазоне способствует получению требуемых прочностных характеристик стали, а также улучшает ее прокаливаемость. При содержании молибдена менее 0,20% прочностные свойства стали не достигают требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,40% ухудшает свариваемость и пластичность закаленной стали.

Добавление меди в пределах 0,05-0,25% повышает прочность и коррозионную стойкость стали. Большее содержание меди экономически нецелесообразно.

Легирование бором повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор, добавляемый в пределах 0,001-0,005%, значительно повышает прокаливаемость стали. Бор в количестве более 0,005% может способствовать образованию охрупчивающих частиц Fe₂₃(С, В)₆ (форма борокарбида железа). Для получения максимального влияния на закаливаемость желательна концентрация бора не менее 0,001%.

Сталь предложенного состава может содержать в виде примесей не более 0,005% серы, не более 0,015% фосфора. При указанных предельных концентрациях эти элементы в стали предложенного состава не оказывают заметного негативного воздействия на вязкостные свойства стали.

Верхний предел содержания азота 0,010% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали. Содержание азота более 0,006% необходимо для формирования карбонитридов микролегирующих элементов, упрочняющих сталь.

Нагрев горячекатаных листов под закалку до температуры выше 980°С приводит к недопустимому снижению ударной вязкости листовой стали. Снижение этой температуры менее 930°С не обеспечивает стабильного получения заданных прочностных свойств, что снижает выход годного.

Отпуск закаленных листов при температуре выше 600°С снижает их прочностные свойства ниже допустимого уровня. Уменьшение температуры отпуска ниже 500°С приводит к потере пластических и вязкостных свойств высокопрочных листов.

Таким образом, полное использование ресурса свойств, соответствующего низколегированной стали данного химического состава, обеспечивается режимами термообработки толстолистового проката.

Пример осуществления способа

С применением индукционной плавильной печи ИСТ 0,03/0,05 И1 произвели выплавку сталей различного химического состава (табл. 2).

Полученные слитки нагревали в камерной печи ПКМ 3.6.2/12,5 до температуры 1200°С. Далее осуществляли обжатие слитков с применением гидравлического пресса П6334 (моделирование черновой прокатки) и на одноклетьевом реверсивном стане горячей прокатки 500 «ДУО» (чистовая прокатка). Температура окончания обжатия составляла от 850°С до 950°С. Слитки прокатывали до толщины 8 мм и 10 мм. Полученные раскаты охлаждали на воздухе.

Термическая обработка образцов проката заключалась в закалке при температуре 900-1000°С и последующем отпуске при температуре 450-650°С (табл. 3), после чего произвели раскрой полученных раскатов для проведения испытаний на растяжение, твердость, ударный изгиб, изгиб до параллельности сторон.

Механические свойства определяли на поперечных образцах в соответствии с общепринятыми условиями:

- испытания на растяжение проводили на плоских образцах по ГОСТ 1497;

- испытания на ударный изгиб в соответствии с ГОСТ 9454 на образцах с V-образным надрезом при температуре -40°С, с U-образным надрезом при температуре -50°С;

- испытание на изгиб в соответствии с ГОСТ 14019.

Результаты испытаний показали, что в листовой стали, полученной по предложенному способу (варианты №2-5, табл. 4), достигается сочетание наиболее высоких прочностных, пластических и вязкостных свойств.

В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №6), а также при использовании способа-прототипа не обеспечивается заданный комплекс механических свойств.

Таким образом, применение заявленного способа обеспечивает достижение требуемого результата - получение высокопрочной листовой стали с комплексом трудно сочетаемых свойств: прочностных - условный предел текучести σ_0,2 не менее 700 Н/мм², временное сопротивление разрыву σ_в=750-950 Н/мм²; пластических - относительное удлинение δ₅ не менее 12%; вязких - ударная вязкость KCV^-40 не менее 50 Дж/см² (KCU^-50 не менее 39 Дж/см²).