Способ производства высокопрочной листовой стали
Владельцы патента RU 2599654:
Открытое Акционерное Общество "Магнитогорский металлургический комбинат" (RU)
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству толстолистового проката из высокопрочной низколегированной стали, предназначенного для кранового производства и легкой транспортной техники. Получают непрерывнолитой сляб из стали следующего химического состава, мас. %: 0,07-0,12 С, 0,05-0,30 Si, 1,1-1,7 Mn, 0,30-0,70 Cr, 0,90-1,20 Ni, 0,20-0,40 Mo, 0,03-0,07 V, 0,02-0,05 Al, от более 0,006 до 0,010 N, 0,05-0,25 Cu, 0,02-0,09 Nb, от 0,003 до менее 0,005 Ti, не более 0,005 S, не более 0,015 Р, остальное Fe. Для повышения прокаливаемости в состав стали дополнительно вводят бор 0,001-0,005 мас. %. Осуществляют нагрев сляба, его горячую прокатку для получения листов, их закалку и отпуск. Закалку осуществляют при температуре 930-980°С, а отпуск при температуре 500-600°С. Обеспечиваются высокие прочностные свойства листов при сохранении достаточной пластичности и ударной вязкости. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.
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 σв=590-690 Н/мм2, предел текучести σв=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. %:
| углерод | 0,07-0,12 |
| кремний | 0,05-0,30 |
| марганец | 1,10-1,70 |
| хром | 0,30-0,70 |
| никель | 0,90-1,20 |
| молибден | 0,20-0,40 |
| ванадий | 0,03-0,07 |
| алюминий | 0,02-0,05 |
| азот | от более 0,006 до 0,010 |
| медь | 0,05-0,25 |
| ниобий | 0,02-0,09 |
| титан | от 0,003 до менее 0,005 |
| сера | не более 0,005 |
| фосфор | не более 0,015 |
| железо | остальное |
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 σ0,2 не менее 700 Н/мм2, временное сопротивление разрыву σв=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).
1. Способ производства высокопрочной листовой стали, включающий получение непрерывнолитого сляба, его нагрев, горячую прокатку, закалку и отпуск листов, отличающийся тем, что непрерывнолитой сляб получают из стали следующего химического состава, мас. %:
| углерод | 0,07-0,12 |
| кремний | 0,05-0,30 |
| марганец | 1,10-1,70 |
| хром | 0,30-0,70 |
| никель | 0,90-1,20 |
| молибден | 0,20-0,40 |
| ванадий | 0,03-0,07 |
| алюминий | 0,02-0,05 |
| азот | от более 0,006 до 0,010 |
| медь | 0,05-0,25 |
| ниобий | 0,02-0,09 |
| титан | от 0,003 до менее 0,005 |
| сера | не более 0,005 |
| фосфор | не более 0,015 |
| железо | остальное |
при этом закалку осуществляют при температуре 930-980 °С, а отпуск проводят при температуре 500-600 °С.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что состав стали дополнительно содержит бор в диапазоне 0,001-0,005 мас. %.
