Способ получения полос из низколегированной стали Российский патент 2023 года по МПК C21D8/02 C22C38/58 C22C38/54 C22C38/50 C22C38/48 C22C38/46 C22C38/44 C22C38/42 

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.

Известен способ производства коррозионно-стойкого проката из стали толщиной 4-10 мм включает нагрев, черновую прокатку, чистовую прокатку, при этом сталь 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, чистовую прокатку завершают при 870-940°C с последующим охлаждением до температуры смотки в два этапа: первый этап со скоростью 15÷50°С/с до 550÷650°С, второй этап со скоростью 6÷15°С/с до 450÷550°С, после чего проводят двойной нагрев проката: сначала до Ас3+(20÷40)°C с последующим охлаждением на воздухе, затем до Ас1±30°C с последующим охлаждением на воздухе [Патент RU 2679675, МПК C21D8/02, C22C38/04, C21D1/28, 2019].

Недостатком такого способа является невысокие и не стабильные прочностные характеристики получаемого конструкционного проката.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является 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. 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 [Патент RU 2778533, МПК C21D8/02, C21D9/46, 2022].

Недостатком данного технического решения является необходимость в проведении двойной термообработки, что значительно увеличивает себестоимость продукции и усложняет технологический процесс.

Технический результат изобретения – снижение себестоимости и повышение производительности полос из низколегированной стали по отношению к прототипу, при сохранении требуемого уровня механических свойств стали.

Механические свойства полос согласно заявленного способа должны удовлетворять следующим параметрам: σт≥490МПа, σв≥570МПа, относительное удлинение не менее 19%, ударная вязкость KCU-40 не менее 40 Дж/см².

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения полос из низколегированной стали, включающем нагрев непрерывнолитой заготовки, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, ускоренное охлаждение до температуры смотки в два этапа, последующий нагрев полос под термообработку, согласно изобретения низколегированная сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,15 – 0,25 Кремний 0,3 – 0,7 Марганец 1,4 – 1,8 Сера не более 0,010 Фосфор не более 0,020 Хром не более 0,30 Никель не более 0,30 Медь не более 0,30 Алюминий 0,01 – 0,08 Ниобий не более 0,010 Ванадий не более 0,10 Титан от 0,10 до менее 0,23 Молибден не более 0,010 Кальций не более 0,005 Азот не более 0,010 Бор не более 0,005 Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом суммарное содержание Nb+V+Ti ≤ 0,23 %, С_э ≤ 0,6 %, черновую прокатку осуществляют до промежуточной толщины подката, составляющей 3,5–5,5 толщин полос, а чистовую прокатку с получением полос проводят со скоростью не более 7,0 м/с, начиная при температуре 940–1010ºС и завершая при температуре 850–900ºС, проводят ускоренное охлаждение полос в два этапа, при этом первый этап охлаждения осуществляют со скоростью 10÷30°С/с от температуры завершения чистовой прокатки до температуры 550÷680°С, после чего осуществляют второй этап охлаждения со скоростью 6÷15°С/с до температуры смотки, составляющей 510÷600°С, а нагрев полос под термообработку осуществляют до температуры Ас3±80°С с продолжительностью 1,0-2,0 мин/мм толщины полосы с последующим охлаждением на воздухе.

Сущность изобретения.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, чтобы получить равномерную мелкозернистую структуру с раздробленной сорбитообразной морфологией перлитных колоний по всему сечению, благоприятную для производства деталей.

Содержание углерода в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,15% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,25% ухудшает пластичность стали.

Марганец введен для повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,4% снижается прочность стали, что приводит к увеличению отбраковки. Повышение концентрации марганца сверх 1,8% ухудшает пластичность стали.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,3% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,7% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.

Хром, никель, медь упрочняют твердый раствор, повышают устойчивость переохлажденного аустенита. Содержание более 0,30% каждого приводит к снижению вязко-пластичных характеристик, что может привести к разрушению деталей в процессе изготовления и эксплуатации.

Ниобий, ванадий образуют мелкодисперсные частицы (карбонитриды), которые измельчают зерно и упрочняют сталь. При содержании ниобия более 0,01% и ванадия более 0,10% увеличивается себестоимость стали, при этом не происходит значительного повышения механических свойств стали.

Фосфор и сера являются вредными примесями, при их содержании более 0,020% и 0,010% соответственно существенно снижается пластичность стали, повышается красноломкость, что может привести к разрушению проката в процессе прокатки и поломке оборудования.

Алюминий введен в сталь, как раскислитель. При содержании алюминия менее 0,01% снижается пластичность стали, сталь становится склонной к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,08% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.

Титан измельчает зерно за счет образования упрочняющих частиц, что ведет к повышению прочностных характеристик стали. При содержании титана менее 0,1% снижается прочность стали. Увеличение содержания титана более 0,25% приводит к снижению пластичности стали.

Добавки молибдена придают стали мелкозернистую структуру, повышают прочность при равных показателях пластичности. Молибден в количестве более 0,01% повышает стоимость стали, что экономически нецелесообразно.

Увеличение содержания кальция сверх 0,005% ведет к увеличению количества неметаллических включений в стали, что приводит к снижению механических свойств горячекатаного проката.

Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,010% приводит к снижению вязкостных свойств стали при отрицательных температурах.

Для повышения низкотемпературной ударной вязкости, а также повышения способности стали к прокаливаемости, добавляют бор в количестве не более 0,005%.

Суммарное содержание Nb+V+Ti ≤ 0,23% и углеродный эквивалент стали (Сэ=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0,6%), регламентированы для обеспечения свариваемости металлопроката.

Чистовую прокатку начинают при температуре 940–1010°С. Температура начала чистовой прокатки в данном диапазоне необходима для более интенсивного измельчения зерна аустенита. При температуре начала чистовой прокатки более 1010°С происходит рост аустенитных зерен, что снижает комплекс механических свойств, особенно ударной вязкости. При температуре начала чистовой прокатки ниже 940°С происходит подстуживание раската, что приводит к неравномерной микроструктуре проката и высокой анизотропии свойств.

Горячая прокатка с температурами конца прокатки 850-900°С с последующим ускоренным охлаждением до температуры смотки в два этапа: первый этап со скоростью 10÷30°С/с до температуры 550÷680°С, второй этап со скоростью 6÷15°С/с до температуры 510÷600°С, обеспечивает получение однородных механических свойств по длине полосы.

Окончание завершения деформации ниже 850°С, в двухфазной области, приводит к значительной разнозернистости структуры, что влечет за собой нестабильность механических свойств в горячекатаном состоянии. Повышение температуры конца горячей прокатки свыше 900°С приводит к укрупнению зерна и понижению прочностных свойств горячекатаного проката.

Смотка полос ниже 510°С приводит к образованию в прокате закалочных структур и, как следствие, к образованию торцевых трещин при изготовлении деталей. При температуре смотки выше 600°С пластичность стали повышается, однако это приводит к снижению ее прочности ниже допустимого уровня.

При скорости охлаждения на первом этапе ниже 15°С/с будет увеличиваться балл структурной полосчатости в прокате, негативно сказывающийся на значении ударной вязкости (становится ниже требуемого уровня).

Скорость охлаждения на первом этапе выше 30°С/с и выше 15°С/с на втором этапе приводит к образованию закалочных структур и появлению торцевых трещин. Скорость охлаждения на первом этапе ниже 10°С/с и на втором этапе ниже 6°С/с приводит к разупрочнению проката ниже требуемого уровня.

Нагрев полос до температуры выше Ас3+80°С приводит к увеличению размера отдельных зерен аустенита, рост которых не замедлен избыточными карбидными частицами. Это предопределяет образование разнозернистости и увеличивает разброс механических свойств, особенно ударной вязкости.

Нагрев полос до температуры, ниже чем температура Ас3-80°С, значительно удлиняет время выдержки для образования структуры аустенита, что экономически нецелесообразно.

Охлаждение полос на воздухе позволяет обеспечить равномерную структуру, а также минимизировать остаточные напряжения в прокате.

Расчет Ac3 производится по формуле:

Ac3=(912-370*C-27.4*Mn+27.3*Si-6.35*Cr-32.7*Ni+95.2*V+190*Ti+72.0*Al+64.5*Nb+

+5.57*W+332*S+276*P+485*N-900*B+16.2*C*Mn+32.3*Si*C+15.4*C*Cr+48*C*Ni+

+4.32*Si*Cr+-17.3*Si*Mo-18.6*Si*Ni+4.8*Mn*Ni+174*C*C+2.46*Mn*Mn-6.86*Si*Si+

+0.332*Cr*Cr+1.24*Ni*Ni)

Промежуточная толщина подката перед чистовой прокаткой должна составлять 3,5–5,5 толщин полос. При толщине (кратности) подката менее 3,5 крат снижается вязкость получаемых полос (ухудшаются требуемые механические свойства), при толщине подката более 5,5 крат возрастают энергосиловые параметры прокатки.

Максимальная скорость чистовой прокатки должна составлять не более 7,0 м/с. Скорость чистовой прокатки более 7,0 м/с приводит к получению неравномерности микроструктуры и снижению вязкостных характеристик полос.

Нагрев проката под термообработку осуществляется с продолжительностью 1,0-2,0 мин/мм толщины проката. Нагрев с продолжительностью менее 1,0 мин/мм не позволяет получить заданный комплекс механических свойств, выдержка более 2,0 мин/мм не целесообразна, так как приводит к увеличению цикла производства.

Осуществление изобретения.

Заготовки из стали с заданным химическим составом (Таблица 1) прокатывали на стане горячей прокатки при температуре деформации 850–1010°С, ускоренно охлаждали до температуры смотки в два этапа: на первом этапе до температуры 660°С со скоростью 13°С/с, на втором этапе до температуры 550°С со скоростью 7°С/с, далее рулоны подвергали нагреву в проходной печи с роликовым подом при температуре 800°С, после чего их охлаждали на воздухе.

В таблице 2 приведены качественные параметры горячекатаной полосы, произведенной по предлагаемому способу, а также представлены данные по горячекатаной полосе, произведенной по прототипу (вариант № 6). Результаты испытаний показали, что в прокате, полученному по предложенному способу (варианты № 1-5), достигаются требуемые значения механических свойств (σт≥490МПа, σв≥570МПа, ударная вязкость KCU-40 не менее 40 Дж/см²).

В случаях использования способа-прототипа (вариант №6), требуется двойная термообработка для обеспечения заданного комплекса механических свойств.

Предлагаемый способ позволяет снизить легирование стали дорогостоящими материалами (в частности ниобием). Также, исключается двойная термообработка металлопроката, что позволяет снизить загрузку термических мощностей (таким образом повысить производительность) и снизить затраты на энергоносители. Суммарное снижение себестоимости производства полос по заявленному способу составляет более 30 %.

Таблица 1

Химический состав экспериментальных сталей

Вариант плавки C Si Mn P S Cr Ni Cu Al N Mo V Nb Ti B Ca 1 0,21 0,47 1,54 0,013 0,002 0,05 0,03 0,05 0,04 0,006 0,005 0,006 0,002 0,17 0,0008 0,0022 2 0,19 0,54 1,53 0,012 0,004 0,06 0,03 0,05 0,04 0,005 0,006 0,01 0,008 0,17 0,0007 0,0019 3 0,2 0,5 1,54 0,01 0,003 0,03 0,02 0,04 0,04 0,006 0,004 0,01 0,004 0,17 0,0007 0,0011 4 0,2 0,48 1,53 0,009 0,002 0,03 0,02 0,04 0,04 0,006 0,004 0,004 0,004 0,18 0,0007 0,001 5 0,2 0,52 1,56 0,011 0,002 0,03 0,02 0,02 0,047 0,007 0,003 0,006 0,004 0,18 0,0007 0,0014

Таблица 2

Механические свойства горячекатаных полос в зависимости от технологических параметров

Вариант плавки Толщина подката перед чистовой стадией прокатки,
мм Температура начала чистовой стадии деформации, °С Температура завершения чистовой стадии деформации, °С Скорость чистовой стадии прокатки, м/с Температура смотки, °С Первый нагрев до температуры, °С Удельное время первого нагрева, мин/мм Второй нагрев до температуры, °С Удельное время второго нагрева, мин/мм Количество термообработок Предел прочности, МПа Предел текучести, Мпа Относительное удлинение, % KCU-40, Дж/см2 1 38 970 882 5,5 536 810 1,0 - - 1 670 546 23,5 136 2 39 975 870 6 525 800 1,1 - - 1 653 530 25 138 3 42 970 865 5,5 540 800 1,2 - - 1 654 514 21 155 4 40 980 885 5,7 580 810 1,5 - - 1 670 542 24 165 5 41 990 877 6,2 590 790 1,6 - - 1 652 515 23,5 172 6
(прототип) - - 870 - 910 - 450 - 570 890 - 690 - 2 620-760 560-630 - 160-182

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения горячекатаного проката, используемого для изготовления лонжеронов грузовых автомобилей, а также для производства высоконагруженных конструкций. Нагревают непрерывнолитую заготовку из низколегированной стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,15-0,25, кремний 0,3-0,7, марганец 1,4-1,8, сера не более 0,010, фосфор не более 0,020, хром не более 0,30, никель не более 0,30, медь не более 0,30, алюминий 0,01-0,08, ниобий не более 0,010, ванадий не более 0,10, титан от 0,10 до менее 0,23, молибден не более 0,010, кальций не более 0,005, азот не более 0,010, бор не более 0,005, железо и неизбежные примеси остальное, при этом суммарное содержание Nb+V+Ti≤0,23%, а углеродный эквивалент С_э≤0,6%. Проводят черновую прокатку до промежуточной толщины подката, составляющей 3,5-5,5 толщин полос. Чистовую прокатку с получением полос проводят со скоростью не более 7,0 м/с, начиная при температуре 940-1010°С и завершая при температуре 850-900°С. Проводят ускоренное охлаждение полос в два этапа, при этом первый этап охлаждения осуществляют со скоростью 10-30°С/с от температуры завершения чистовой прокатки до температуры 550-680°С, после чего осуществляют второй этап охлаждения со скоростью 6-15°С/с до температуры смотки, составляющей 510-600°С. Проводят термообработку полос путем нагрева до температуры Ас3±80°С с продолжительностью 1,0-2,0 мин/мм толщины полосы с последующим охлаждением на воздухе. Обеспечивается повышение производительности изготовления полос при сохранении требуемого уровня механических свойств. 2 табл.

Способ получения полос из низколегированной стали, включающий нагрев непрерывнолитой заготовки, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, ускоренное охлаждение до температуры смотки в два этапа, последующий нагрев полос под термообработку, отличающийся тем, что низколегированная сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,15-0,25 кремний 0,3-0,7 марганец 1,4-1,8 сера не более 0,010 фосфор не более 0,020 хром не более 0,30 никель не более 0,30 медь не более 0,30 алюминий 0,01-0,08 ниобий не более 0,010 ванадий не более 0,10 титан от 0,10 до менее 0,23 молибден не более 0,010 кальций не более 0,005 азот не более 0,010 бор не более 0,005 железо и неизбежные примеси остальное,

при этом суммарное содержание Nb+V+Ti≤0,23%, С_э≤0,6%, черновую прокатку осуществляют до промежуточной толщины подката, составляющей 3,5-5,5 толщин полос, а чистовую прокатку с получением полос проводят со скоростью не более 7,0 м/с, начиная при температуре 940-1010°С и завершая при температуре 850-900°С, проводят ускоренное охлаждение полос в два этапа, при этом первый этап охлаждения осуществляют со скоростью 10-30°С/с от температуры завершения чистовой прокатки до температуры 550-680°С, после чего осуществляют второй этап охлаждения со скоростью 6-15°С/с до температуры смотки, составляющей 510-600°С, а нагрев полос под термообработку осуществляют до температуры Ас3±80°С с продолжительностью 1,0-2,0 мин/мм толщины полосы с последующим охлаждением на воздухе.