Способ производства высокопрочной листовой стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкционным свариваемым сталям, используемым при производстве сварных конструкций и платформ большегрузных автомобилей, для работы в условиях северных районов. Для повышения прочностных свойств и выхода годного слябы изготавливают из стали следующего химического состава, мас.%: 0,13-0,19 C; 0,5-1,1 Mn; 0,3-0,7 Si; 1,1-1,7 Cr; 0,03-0,08 Nb; 0,02-0,06 Al; 0,002-0,030 Ca; 0,003-0,008 N; не более 0,010 S; не более 0,015 P; остальное - железо. Нагрев слябов ведут до температуры не ниже 1150°С, горячую прокатку листов ведут с суммарным относительным обжатием не менее 80% и завершают в температурном диапазоне 750-950°С, закалку листов осуществляют от температуры 890-930°С, а высокотемпературный отпуск ведут при температуре 600-680°С. 3 табл.

 

Для изготовления сварных конструкций и платформ большегрузных автомобилей БелАЗ, работающих при отрицательных температурах, используют термоулучшенный горячекатаный листовой прокат толщиной 10-40 мм из свариваемой хладостойкой низколегированной стали. Горячекатаная листы после термического улучшения должны сочетать высокую прочность и вязкость при отрицательных температурах. Требуемые механические свойства горячекатаных листов в состоянии поставки приведены в табл.1.

Таблица 1
Механические свойства высокопрочной листовой стали
σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ5, %	KCU+20, Дж/см2	KCU-40, Дж/см2	KCV-40, Дж/см2	Хол. загиб на 180° d=3a
не менее
850-930	700-835	20	56	39	29	выдержив.
Примечание: d - диаметр оправки; а - толщина листа

Известен способ производства листовой стали, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:

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 [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что толстолистовая сталь имеет низкие прочностные и вязкостные свойства при отрицательных температурах. Это делает невозможным ее применение для изготовления платформ большегрузных автомобилей.

Известен также способ производства высокопрочных листов из стали марки 17ГС 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) [2].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает получения высокой прочности при заданном комплексе остальных механических свойств листовой стали.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства высокопрочной листовой 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 [3].

Недостатки известного способа состоят в том, что листовая сталь после закалки и высокотемпературного отпуска имеет низкие прочностные свойства, что, в свою очередь, приводит к снижению выхода годного.

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

Для этого в известном способе производства высокопрочной листовой стали, включающем изготовление стальных слябов, их нагрев, горячую прокатку в листы и закалку листов с последующим высокотемпературным отпуском, согласно предложению слябы изготавливают из стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,13-0,19
Марганец	0,5-1,1
Кремний	0,3-0,7
Хром	1,1-1,7
Ниобий	0,03-0,08
Алюминий	0,02-0,06
Кальций	0,002-0,030
Азот	0,003-0,008
Сера	не более 0,010
Фосфор	не более 0,015
Железо	Остальное,

причем нагрев слябов ведут до температуры не ниже 1150°С, горячую прокатку листов ведут с суммарным относительным обжатием не менее 80% и завершают в температурном диапазоне 750-950°С, закалку листов осуществляют от температуры 890-930°С, а высокотемпературный отпуск ведут при температуре 600-680°С.

Сущность изобретения состоит в следующем. Нагрев слябов из низколегированной стали предложенного химического состава до температуры не ниже 1150°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. Кроме того, поскольку в процессе прокатки с суммарным относительным обжатием не менее 80% происходит непрерывное падение температуры металла, при указанной температуре нагрева к моменту окончания прокатки листов их температура снижается до заданного значения Т_кп=750-950°С (температура конца прокатки), что способствует интенсификации выделения упрочняющих карбонитридных частиц и измельчению микроструктуры стали. После термического улучшения, одновременно с упрочнением, сталь приобретает ячеистую структуру, увеличивающую вязкость при отрицательных температурах.

Нагрев листов до температуры 890-930°С, закалка водой и отпуск при температуре 600-680°С обеспечивают повышение уровня и стабильности прочностных, вязкостных и пластических свойств горячекатаных листов. Благодаря термическому улучшению неизбежно существующие в практике промышленного производства колебания содержаний химических элементов в стали, а также температурная нестабильность процесса невелируются, что благоприятно сказывается на стабильности механических свойств листов и способствует увеличению выхода годного.

Экспериментально установлено, что снижение температуры нагрева слябов менее 1150°С приводит к неполному растворению в аустените карбонитридных упрочняющих частиц, снижению пластических и вязкостных свойств листов.

При суммарном относительном обжатии в процессе прокатки менее 80% или температуре конца прокатки выше 950°С не достигается необходимая степень диспергирования и деформационно-термического упрочнения листовой стали предложенного состава. В результате прочностные свойства листов после термического улучшения (закалки и высокотемпературного отпуска) ниже допустимых значений. Снижение температуры прокатки менее 750°С приводит к формированию продольной текстуры, что снижает показатели ударной вязкости термоулучшенных листов.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,13% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,19% ухудшается ударная вязкость и свариваемость стали.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,5% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания марганца более 1,1% приводит к снижению вязкости при отрицательных температурах и ухудшению пластичности.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,30% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,70% снижается пластичность, сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.

Хром повышает прочность и вязкость стали. При его концентрации менее 1,10% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 1,7% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов, снижению выхода годного листового термоулучшенного проката.

Ниобий способствует измельчению микроструктуры низколегированной стали по толщине листа, повышению хладостойкости. Однако, если содержание ниобия будет более 0,08% произойдет ухудшение свариваемости стали, что недопустимо. При снижении содержания ниобия менее 0,03% не достигается высокая ударная вязкость при отрицательных температурах.

Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,02% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания этого элемента более 0,06% он связывает азот, что ведет к снижению прочностных характеристик.

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

Азот обеспечивает упрочнение стали за счет выделения из твердого раствора мелкодисперсных нитридных и карбонитридных частиц. При содержании азота менее 0,003% прочность толстолистовой стали недостаточна. Увеличение содержания азота более 0,008% ведет к снижению вязкостных свойств высокопрочной листовой стали при отрицательных температурах.

Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,010% и фосфора не более 0,015% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.

Нагрев горячекатаных листов под закалку до температуры выше 930°С приводит к снижению ударной вязкости листовой стали. Снижение этой температуры менее 890°С не обеспечивает стабильного получения заданных прочностных свойств, что снижает выход годного.

Отпуск закаленных листов при температуре выше 680°С снижает их прочностные свойства ниже допустимого уровня. Уменьшение температуры отпуска ниже 600°С приводит к потере пластических и вязкостных свойств высокопрочных листов, что уменьшает их выход годного.

Примеры реализации способа

Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферросилицием, ферромарганцем, легировали феррохромом, вводили металлический алюминий и ниобий. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Кальций вводили в расплав в виде силикокальция. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.

Таблица 2.
Химический состав высокопрочных сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
C	Mn	Si	Cr	Nb	Al	Ca	N	S	P	Fe
1.	0,12	0,4	0,2	1,0	0,02	0,01	0,002	0,002	0,003	0,010	Ост.
2.	0,13	0,5	0,3	1,1	0,03	0,02	0,003	0,003	0,004	0,012	-:-
3.	0,16	0,8	0,5	1,4	0,05	0,04	0,006	0,006	0,008	0,013	-:-
4.	0,19	1,1	0,7	1,7	0,08	0,06	0,008	0,008	0,010	0,015	-:-
5.	0,20	1,2	0,8	1,8	0,09	0,07	0,009	0,009	0,011	0,016	-:-
6.	0,10	1,5	0,4	0,2	0,04	0,04	-	0,007	0,004	0,014	-:-

Примечание: сталь состава 6 дополнительно содержит 0,10% V и 0,02% Ti.

Сталь с составом №3 разливали в слябы толщиной Н=200 мм. Затем слябы нагревали до температуры аустенитизации Т_а=1200°С и прокатывали на толстолистовом реверсивном стане 2800 в листы толщиной h=12 мм с суммарным относительным обжатием ε, равным:

Температура конца прокатки листов составляла: Т_кп=800°С.

Горячекатаные листы закаливали в роликовой закалочной машине путем нагрева до температуры Т_з=920°С и охлаждения водой. Закаленные листы подвергали высокому отпуску при температуре Т_от=640°С.

После термического улучшения от листов отбирали пробы и производили испытания механических свойств.

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

Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенные режимы производства высокопрочной листовой стали (варианты №2-4) обеспечивают повышение прочностных свойств и выхода годного. Готовые листы имеют наиболее высокие показатели прочности и ударной вязкости, выдерживают испытание на холодный загиб.

В случаях запредельных значений концентраций химических элементов в стали, режимов горячей прокатки, закалки и высокого отпуска (варианты №1 и №5), а также использовании способа-прототипа (вариант №6) имеет место снижение прочностных свойств готовых листов и выхода годного. В этих случаях листовую сталь используют для менее ответственного назначения.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что одновременная оптимизация химического состава сталей, температурно-деформационных режимов горячей прокатки, а также последующего термического улучшения позволяет повысить прочностные свойства при обеспечении заданных и стабильных вязкостных и пластических свойств

Таблица 3.
Режимы производства листовой стали и показатели ее качества
№ п/п	№ состава	Та, °С	ε, %	Ткп, °С	Тз, °С	Тот, °С	σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ5, %	KCU+20, Дж/см2	KCU-40, Дж/см2	KCV-40, Дж/см2	Хол. загиб	Выход годн, %
1.	1	1100	95	760	880	590	840	690	17	54	35	27	Не выдерж.	78,4
2.	4	1230	90	950	930	680	900	820	22	57	40	30	Выдерж.	99,7
3.	3	1200	94	800	920	640	930	835	24	58	42	32	Выдерж.	99,9
4.	2	1150	80	750	890	600	920	700	22	56	41	31	Выдерж.	99,8
5.	5	1140	75	960	880	590	850	690	16	52	37	26	Не выдерж.	79,5
6.	6	1170	72	810	910	650	640	530	30	54	38	28	Выдерж.	97,0

высокопрочной листовой стали для сварных конструкций и платформ большегрузных автомобилей. Это также способствует увеличению выхода годного.

В качестве базового объекта при определении технико-экономической эффективности использован способ-прототип. Применение предложенного способа обеспечивает повышение рентабельности производства высокопрочной листовой стали на 12-15%.

Литературные источники

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

2. Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989 г., с.242-244, 268.

3. Патент Российской Федерации №2255123, МПК C21D 8/02, C22C 38/58, 2005 г. - прототип.

Способ производства высокопрочной листовой стали, включающий изготовление стальных слябов, их нагрев, горячую прокатку в листы, закалку листов с последующим высокотемпературным отпуском, отличающийся тем, что слябы изготавливают из стали следующего химического состава, мас.%:

углерод	0,13-0,19
марганец	0,5-1,1
кремний	0,3-0,7
хром	1,1-1,7
ниобий	0,03-0,08
алюминий	0,02-0,06
кальций	0,002-0,030
азот	0,003-0,008
сера	не более 0,010
фосфор	не более 0,015
железо	остальное,

причем нагрев слябов ведут до температуры не ниже 1150°С, горячую прокатку листов ведут с суммарным относительным обжатием не менее 80% и завершают в температурном диапазоне 750-950°С, закалку листов осуществляют от температуры 890-930°С, а высокотемпературный отпуск ведут при температуре 600-680°С.