Способ получения полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали
Владельцы патента RU 2778533:
Публичное акционерное общество "Северсталь" (ПАО "Северсталь") (RU)
Изобретение относится к металлургии, а именно к способу получения проката, который может быть использован для изготовления лонжеронов грузовых автомобилей, а также для производства высоконагруженных конструкций. Способ получения полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали включает нагрев, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, последующее ускоренное охлаждение до температуры смотки в два этапа, после чего проводят двойной нагрев проката, при котором сначала нагревают до температуры Ас3+(20-40)°С с последующим охлаждением на воздухе, а затем нагревают до температуры Ac1±30°С с последующим охлаждением на воздухе. Низколегированная сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,16-0,22, марганец 1,45-1,80, кремний 0,40-0,60, хром 0,10-0,30, никель 0,15-0,30, медь 0,10-0,30, ниобий 0,02-0,05, ванадий 0,03-0,07, титан 0,10-0,22, фосфор не более 0,020, сера не более 0,010, алюминий 0,01 – 0,06, кислород не более 0,003, железо и неизбежные примеси остальное. Чистовую прокатку завершают при температуре 870-910°С, затем проводят первый этап ускоренного охлаждения со скоростью 10-30°С/с до температуры 570-650°С, а второй этап ускоренного охлаждения проводят со скоростью 6-15°С/с до температуры смотки 450-570°С. Обеспечивается увеличение прочностных характеристик получаемых полос. 1 табл., 5 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению конструкционного проката, и может быть использовано при производстве проката на непрерывных широкополосных станах горячей прокатки, который применяют для изготовления лонжеронов грузовых автомобилей, а также для производства высоконагруженных конструкций.
Одним их важных технологических процессов в производстве конструкционного проката является обработка стали давлением, а именно прокаткой, которая не только позволяет придать определенные формы и размер, но и существенно улучшает механические и физические свойства стали.
Горячая прокатка проводится с целью изменить механические, физические, технологические и эксплуатационные свойства стали в желательном направлении путем изменения ее структуры, для улучшения таких механических свойств как прочность, упругость, износостойкость и усталостная прочность, либо для улучшения ее обрабатываемости путем снижения твердости.
Важным технологическим процессом, влияющим на качество готового проката, является режим охлаждения смотки готового проката.
В зависимости от предъявляемых требований и химического состава применяют быстрое или медленное охлаждение смотки готового проката. При медленном охлаждении в структуре сталей образуется карбидная сетка, что не допускается техническими условиями. Для большинства легированных сталей не допускается быстрое охлаждение. В процессе быстрого охлаждения в стали могут образовываться поверхностные и внутренние трещины (флокены). Поверхностные трещины обнаруживаются визуально, а флокены наблюдаются в продольном и поперечном сечениях после травления, где они обнаруживаются в виде радиальных и продольных трещин. Предотвратить развитие трещин и флокенов можно правильным выбором режима охлаждения смотки готового проката стали.
Из уровня техники известен способ производства листов из низколегированной стали (Патент РФ № 2191833, МПК C21D8/02, опубл. 27.10.2002 г.). Способ включает нагрев слябов под прокатку, многопроходную горячую прокатку, последующий нагрев, закалку и отпуск, в котором обжатие в последнем проходе устанавливают не менее 15% при температуре конца прокатки не выше 950°С, а нагрев под прокатку осуществляют до 1200-1300°С. Закалку листов производят при температуре не более 940°С и не менее 920°С, а отпуск осуществляют путем нагрева листов до 590-640°С при удельном времени нагрева 1,05-2,1 мин/мм толщины листа. После закалки проводят их охлаждение со средней скоростью 1-4°С/с, сталь марки 14ХГ2САФД при этом имеет следующий химический состав, мас.%:
углерод 0,12-0,18
марганец 1,4-1,9
кремний 0,4-0,7
хром 0,5-0,8
медь 0,3-0,6
никель не более 0,3
алюминий 0.03-0,07
ванадий 0,08-0,16
азот 0,01-0,02
сера не более 0,02
фосфор не более 0,035
железо остальное.
Однако прокат, полученный таким способом, обладает низкой пластичностью, что может привести к образованию трещин при изготовлении деталей, а диапазон применения такого проката очень ограничен.
Также из уровня техники известен способ производства штрипсов из проката низколегированной стали (Патент РФ № 2341565, МПК C21D8/02, C22C38/20, опубл. 20.05.2008 г.). Способ включает получение сляба, нагрев сляба, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины в регламентированном температурном диапазоне, охлаждение водой до температуры смотки. Сляб, согласно такого способа, получают из стали, содержащей, мас.%:
| углерод | 0,22-0,28 |
| кремний | 0,15-0,35 |
| марганец | 1,0-1,4 |
| алюминий | 0,02-0,05 |
| кальций | не более 0,02 |
| титан | не более 0,03 |
| хром | не более 0,40 |
| медь | не более 0,40 |
| сера | не более 0,010 |
| фосфор | не более 0,015 |
| азот | не более 0,012 |
| железо | остальное |
Многопроходную чистовую прокатку в данном способе проводят в диапазоне температур от 960-1050°С до 820-890°С, при содержании углерода в стали 0,22-0,24%. Полученные штрипсы, в зависимости от толщины, охлаждают водой до температуры смотки 600-650°С или 580-640°С, а при содержании в стали углерода более 0,24 мас.% штрипсы необходимо охлаждать водой до температуры смотки.
Недостатком этого способа является получение полосчатой структуры проката с плотными перлитными слоями, что неизбежно приведет к образованию торцевых трещин при производстве различных несущих деталей, например таких как лонжероны.
Наиболее близким к предложенному является способ получения конструкционного проката стали из стали толщиной 4-10 мм с высокими прочностными характеристиками σт≥490 МПа, σв≥570 МПа, ударной вязкостью KCU-40 не менее 40 Дж/см2, обеспечивающий исключение образования торцевых трещин при изготовлении деталей операцией вырубки (Патент РФ № 2679675, МПК C21D8/02, опубл. 12.02.2019 г.). Способ включает нагрев, черновую прокатку, чистовую прокатку стали, имеет следующее соотношение компонентов, мас. %:
| углерод | 0,16-0,22 |
| марганец | 1,40-1,65 |
| кремний | 0,25-0,55 |
| хром | 0,10-0,40 |
| никель | 0,03-0,40 |
| медь | 0,05-0,40 |
| ниобий | 0,01-0,06 |
| ванадий | 0,10-0,16 |
| фосфор | не более 0,020 |
| сера | не более 0,006 |
| алюминий | 0,01-0,06 |
| кислород | не более 0,003 |
| железо и неизбежные примеси | остальное. |
деформацию завершают при температуре 870-940°С с последующим ускоренным охлаждением до температуры смотки в два этапа, причем первый этап проводят со скоростью 15÷50°С/с до температуры 550÷650°С, а второй этап - со скоростью 6÷15°С/с до температуры 450÷550°С, после чего проводят двойной нагрев проката, при этом осуществляют нагрев сначала до температуры Ас3+(20÷40)°С с последующим охлаждением на воздухе, затем до температуры Ас1±30°C с последующим охлаждением на воздухе. Готовый прокат обладает прочностными характеристиками σт≥490 МПа, σв≥570 МПа и ударной вязкостью KCU-40 не менее 40 Дж/см2.
Недостатком такого способа является невысокие прочностные характеристики конструкционного проката.
Задачей заявленного изобретения является улучшение прочностных характеристик полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали по отношению к таким же характеристикам, указанным в прототипе.
Техническим результатом является улучшение и увеличение прочностных характеристик полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали по отношению к прототипу.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали, включающем нагрев, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, последующее ускоренное охлаждение до температуры смотки в два этапа, после чего проводят двойной нагрев проката, при котором сначала нагревают до температуры Ас3+(20-40)°С с последующим охлаждением на воздухе, а затем нагревают до температуры Ac1±30°С с последующим охлаждением на воздухе, используют низколегированную сталь, которая содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,16-0,22
марганец 1,45-1,80
кремний 0,40-0,60
хром 0,10-0,30
никель 0,15-0,30
медь 0,10-0,30
ниобий 0,02-0,05
ванадий 0,03-0,07
титан 0,10-0,22
фосфор не более 0,020
сера не более 0,010
алюминий 0,01 – 0,06
кислород не более 0,003
железо и неизбежные примеси остальное.
Причем чистовую прокатку завершают при температуре 870-910°С, затем проводят первый этап ускоренного охлаждения со скоростью 10÷30°С/с до температуры 570÷650°С, а второй этап ускоренного охлаждения проводят со скоростью 6÷15°С/с до температуры смотки 450÷570°С.
Заявленный способ позволяет получить полосы толщиной 4-10 мм из низколегированной стали с отличными прочностными характеристиками, дающими возможность изготовления лонжеронов грузовых автомобилей, а также для производства высоконагруженных конструкций.
Использование соответствующих компонентов в заявленном составе стали обусловлено следующими факторами.
Углерод обеспечивает прочностные характеристики стали. Слишком низкое содержание углерода в составе стали, менее 0,16%, приводит к падению прочности стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,22% ухудшает пластичность стали.
Для повышения прочности стали и связывания примесной серы в сульфиды в состав введен марганец. При содержании марганца менее 1,45% снижается прочность стали, полученной заявленным способом. Повышение же содержания марганца сверх 1,8% ухудшает пластичность стали.
Кремний в составе стали способствует раскислению и упрочнению стали, а также повышению ее упругих свойств. Содержание кремния в стали менее 0,40% ухудшает ее прочность. Увеличение содержания кремния более 0,60% в заявленном составе стали приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, а также способствует хрупкости и ломкости стали и соответственно ухудшает ее пластичность.
Хром, никель, медь добавлены в состав стали для упрочнения твердого раствора стали, а также для повышения устойчивости переохлажденного аустенита. При содержании более 0,90% суммарного количества вышеуказанных компонентов в заявленном составе стали происходит снижение ее вязко-пластичных характеристик, что может привести к разрушению деталей при получении их из стали в процессе изготовления, а также в процессе эксплуатации. При этом низкое содержание этих компонентов (хрома менее 0,10%, никеля менее 0,15% и меди менее 0,1%) снижает прочность металлопроката ниже допустимого уровня.
Ниобий и ванадий способствуют упрочнению стали, по причине того, что образуют мелкодисперсные частицы (карбонитриды), которые способствуют измельчению зерна. Содержание ниобия и ванадия более 0,05% и более 0,07% в заявленном составе стали приводит к снижению хладноломкости стали ниже допустимого уровня. При снижении содержания ниобия менее 0,02% и ванадия менее 0,03% снижается прочность металлопроката ниже допустимого уровня.
Титан является раскислителем стали и способствует удалению из нее азота, благодаря чему сталь приобретает более плотную структуру, однородность и жаропрочность. Добавление в состав стали титана, как сильного карбидообразующего элемента позволяет устранить склонность стали к межкристаллитной коррозии. Вступая в реакцию с углеродом, он образует тугоплавкий карбид TiC, исключая уменьшение концентрации в сплаве хрома путем образования его карбидов. Однако при увеличении содержания титана более 0,22 % свяжет слишком много углерода в карбид TiC и это приведет к хрупкость стали. Оптимальным содержанием титана в заявленном способе является 0,10-0,22 %.
Было обнаружено, что суммарное содержание легирующих элементов Σ в стали Nb+V+Ti влияет на возникновение трещин при получении конструкционного проката заявленным способом. Так при суммарном содержании в стали этих легирующих элементов Σ меньше 0,15% масс. и больше 0,34 % масс. было обнаружено образование торцевых трещин при вырубке деталей из полученного проката.
При содержании фосфора и серы более 0,020% и 0,010% существенно снижается пластичность стали, повышается красноломкость, что может привести к разрушению проката в процессе горячей прокатке и поломкам оборудования.
Алюминий добавляют в состав стали в качестве раскислителя, менее 0,01% алюминия снижает пластичность стали, что способствует быстрому старению стали. Увеличение содержания алюминия более 0,06% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.
При содержании кислорода более 0,003% повышается уровень загрязненности стали по строчкам хрупкоразрушенных оксидов и не обеспечивается требуемый уровень ударной вязкости.
В отношении параметров заявленного способа были выявлены определенные закономерности, которые заключались в следующем.
Завершение чистовой прокатки с температурой конца прокатки в диапазоне 870-910°С (Аr3°С- температура начала перекристаллизации феррита в аустенит в стали), с последующим ускоренным охлаждением до температуры смотки в два этапа: первый этап со скоростью 10÷30°С/с до температуры 570÷650°С, второй этап со скоростью 6÷15°С/с до температуры смотки 450÷570°С, обеспечивает получение хороших механических свойств полосы. Завершение чистовой прокатки ниже 870°С (температура конца прокатки) в двухфазной области, приводит к значительной разнозернистости структуры, что способствует нестабильности механических свойств проката в горячекатаном состоянии.
Повышение температуры завершения чистовой прокатки выше 910°С в заявленном способе не рекомендуется, так как при температуре выше указанного значения происходит понижение прочностных свойств стали.
Смотка ниже температуры 450°С приводит к образованию в прокате закалочных структур и как следствие к образованию торцевых трещин, что является неприемлемым при изготовлении лонжеронов грузовых автомобилей и высоконагруженных конструкций.
При температуре смотки выше 570°С одновременно с повышением пластичности стали происходит снижение ее прочности ниже допустимого уровня.
Если скорость на первом этапе охлаждения будет ниже 10°С/с, это приведет к увеличению структурной полосчатости проката и негативно скажется на ударной вязкости стали. Увеличение скорости на первом этапе охлаждения выше 30°С/с приведет к образованию торцевых трещин. Тот же самый эффект возникнет на втором этапе охлаждения, если скорость охлаждения будет выше 15°С/с, а при скорости охлаждения на втором этапе ниже 6°С/с произойдет разупрочнение проката ниже требуемого уровня.
Нагрев проката до температуры выше Ас3+40°С (где Ac3 – это критическая точка конца растворения феррита в аустените) положительно влияет на увеличение размера отдельных зерен аустенита, в результате чего происходит образование разнозернистости и увеличивается разброс механических свойств, особенно ударной вязкости.
Нагрев проката до температуры, ниже, чем температура Ас3+20°С, значительно удлиняет время выдержки для образования структуры аустенита, что экономически нецелесообразно.
Повышение температуры второго нагрева выше Ac1+30°С (где Ac1 – это критическая точка превращения перлит в аустенит) не обеспечивает получение сорбитообразного раздробленного перлита, так как при этом происходит полное растворение карбидов и образование гомогенного аустенита, распадающегося при последующем охлаждении с образованием пластинчатого перлита.
Понижение температуры второго нагрева ниже Ac1-30°С приведет к тому, что фазовое превращение при нагреве будет проходить не до конца, и для стабилизации процесса потребуется более длительная выдержка, требующая больше энергозатрат.
Пример осуществления заявленного способа.
Полосу из стали, с заявленным составом компонентов прокатывали на стане горячей прокатки при температуре чистовой прокатки 900°С, ускоренно охлаждали до температуры смотки в два этапа: на первом этапе до температуры 570÷650°С со скоростью 10°С/с :
- первый вариант - до температуры охлаждения 570°С, со скоростью 10°С/с (табл.1);
- второй вариант - до температуры охлаждения 610°С, со скоростью 20°С/с (табл. 2);
- третий вариант - до температуры охлаждения 650°С, со скоростью 30°С/с (табл. 3).
На втором этапе охлаждали до температуры 450÷570°С со скоростью 6÷15°С/с:
- первый вариант - до температуры охлаждения 450°С, со скоростью 6°С/с;
- второй вариант - до температуры охлаждения 510°С, со скоростью 10°С/с;
- третий вариант - до температуры охлаждения 570°С, со скоростью 15°С/с .
При этом ускоренному охлаждению до температуры смотки были подвергнуты пять вариантов полос из стали, где в 1 варианте суммарное содержание легирующих элементов Nb+V+Ti в стали Σ=0,12, во 2 варианте Σ=0,15; в 3 варианте Σ=0,26; в 4 варианте Σ=0,34; в варианте 5 Σ=0,38 (Соответственно в таблице 1 указаны как варианты 1, 2, 3, 4, 5).
После ускоренного охлаждения полосы из стали дважды подвергали нормализации в проходной печи с роликовым подом в начале при температуре 890°С, затем при температуре 690°С.
Результаты испытаний с указанием полученных прочностных характеристик по сравнению с прототипом в зависимости от параметров способа приведены в таблице 1. Для сравнения взяты верхние численные значения прочностных характеристик для прототипа - ϭт=550 МПа, ϭв= 650 МПа и ударной вязкостью KCU-40=170 Дж/см2 взяты из таблицы 2, которые указаны в описании прототипа в разделе реализации и примеров. Результаты испытаний согласно табл.1 иллюстрируют улучшение и увеличение прочностных характеристик полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали, полученных заявленным способом, а именно полосы обладают следующими прочностными характеристиками ϭт≥600МПа, ϭв≥690МПа, ударной вязкостью KCU-40 не менее 40 Дж/см2 (≥172 Дж/см2).
Заявленный способ позволяет получить полосы толщиной 4-10 мм из низколегированной стали с оптимальными прочностными характеристиками, обеспечивающими отличную механическую обработку, что дает возможность использовать такой прокат в машиностроении, при операциях вырубки деталей.
Таблица 1
Механические свойства экспериментальных сталей в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов Nb+V+Ti в составе стали и от параметров охлаждения до температуры смотки в два этапа.
| Суммарное содержание легирующих элементов Nb+V+Ti в стали (масс%) | Механические свойства проката по первому варианту охлаждения до температуры смотки в два этапа |
Механические свойства проката по второму варианту охлаждения до температуры смотки в два этапа |
Механические свойства проката по третьему варианту охлаждения до температуры смотки в два этапа |
|||||||||
| σт, МПа | σв, МПа | KCU-40, Дж/см2 | Образование торцевых трещин при вырубке деталей из проката | σт, МПа | σв, МПа | KCU-40, Дж/см2 | Образование торцевых трещин при вырубке деталей из проката | σт, МПа | σв, МПа | KCU-40, Дж/см2 | Образование торцевых трещин при вырубке деталей из проката | |
| Прототип | - | - | - | - | 550 | 650 | 170 | нет | 550 | 650 | 170 | нет |
| 1 | 560 | 680 | не менее 40 | нет | 580 | 690 | 154 | да | 600 | 650 | 160 | да |
| 2 | 620 | 700 | не менее 40 | нет | 670 | 720 | 178 | нет | 620 | 760 | 178 | нет |
| 3 | 580 | 740 | не менее 40 | нет | 640 | 690 | 174 | нет | 630 | 710 | 182 | нет |
| 4 | 610 | 720 | не менее 40 | нет | 600 | 710 | 182 | нет | 610 | 690 | 172 | нет |
| 5 | 600 | 620 | не менее 40 | да | 550 | 660 | 159 | нет | 600 | 650 | 169 | да |
Способ получения полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали, включающий нагрев, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, последующее ускоренное охлаждение до температуры смотки в два этапа, после чего проводят двойной нагрев проката, при котором сначала нагревают до температуры Ас3+(20-40)°С с последующим охлаждением на воздухе, а затем нагревают до температуры Ac1±30°С с последующим охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что низколегированная сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,16-0,22 |
| марганец | 1,45-1,80 |
| кремний | 0,40-0,60 |
| хром | 0,10-0,30 |
| никель | 0,15-0,30 |
| медь | 0,10-0,30 |
| ниобий | 0,02-0,05 |
| ванадий | 0,03-0,07 |
| титан | 0,10-0,22 |
| фосфор | не более 0,020 |
| сера | не более 0,010 |
| алюминий | 0,01-0,06 |
| кислород | не более 0,003 |
| железо и неизбежные примеси | остальное, |
чистовую прокатку завершают при температуре 870-910°С, затем проводят первый этап ускоренного охлаждения со скоростью 10-30°С/с до температуры 570-650°С, а второй этап ускоренного охлаждения проводят со скоростью 6-15°С/с до температуры смотки 450-570°С.
