Способ получения высокопрочного стального листа Российский патент 2024 года по МПК C21D8/02 C21D9/46 C22C38/22 C22C38/24 C22C38/26 C22C38/28 C22C38/32 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения высокопрочного стального листа, и направлено на изготовление из него особо важных элементов сельскохозяйственной землеройной техники, подвергающихся комбинированным нагрузкам. Настоящее изобретение позволяет получить одновременно высокую прочность и пластичность в среднеуглеродистой стали после термомеханической обработки, которая сочетает в себе горячую прокатку и обработку «закалка-распределение».

На сегодняшний день к сталям для сельскохозяйственной и землеройной техники, предъявляются высокие требования по показателям твердости, временного сопротивления разрушению, предела текучести, стойкости к абразивному износу с достаточной пластичностью и ударной вязкостью. Для повышения качества сталей, предназначенных для изделий землеройных и сельскохозяйственных машин необходимо обеспечить высокий уровень эксплуатационных характеристик. Для достижения высоких характеристик высокопрочные стали подвергают деформационной обработке для дополнительного измельчения структуры и различным способам термической обработки. Наиболее перспективным методом повышения характеристик материала является термическая обработка «закалка-распределение», которая позволяет формировать двухфазную структуру, что позволяет достигать высокие показатели пластичности, при сохранении высокой прочности.

Известен способ изготовления высокопрочного стального листа, обладающего улучшенной формуемостью и пластичностью, раскрытый в патенте RU 2680043 С2 от 03.07.2015. Высокопрочная сталь имеет следующий химический состав, масс. %: 0,25-0,4 С, 2,3-3,5 Mn, 2,3-3,0 Si, Al не более 0,040, остальное Fe и неизбежные примеси. Способ изготовления высокопрочного стального листа включает в себя следующие стадии: горячую прокатку, отжиг катаного листа в камерной печи, холодную прокатку горячекатаного и отожженного листа, отжиг холоднокатаного листа с выдержкой при температуре большей, чем температура А_с3, закалку с охлаждением до температуры T_q, находящейся в интервале от Ms - 65°С до Ms - 115°С, для получения конечной структуры, содержащей не менее 65% мартенсита и не менее 15% остаточного аустенита, с суммарной долей феррита и бейнита менее 10%. При этом температура Ms - это температура превращения в соответствии с формулой Эндрюса. После закалки лист нагревают до температуры распределения Т_Р 360°С-500°С с выдержкой при указанной температуре. Далее следует охлаждение листа до комнатной температуры. Перед охлаждением может быть осуществлено горячее нанесение покрытия на стальной лист при 450-490°С.

Недостатком данного способа являются низкие механические свойства: предел текучести менее 1200 МПа, предел прочности менее 1500 МПа и относительное удлинение, не превышающее 10,5%. При этом сталь подвергается дополнительной термомеханической обработке - отжигу горячекатаного листа и дополнительной холодной прокатке горячекатаного и отожженного листа, что является нецелесообразным в промышленных условиях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является патент RU 2716920 С2 "Способ производства листовой стали, характеризующейся улучшенными прочностью, пластичностью и формуемостью". В патенте раскрыт способ получения высокопрочного стального листа из стали химического состава, мас. %: 0,18≤С≤0,25, 0,9≤Si≤1,8, 0,02≤Al≤1,0, при этом 1,00≤Si+Al≤2,35, 1,5≤Mn≤2,5, 0,010≤Nb≤0,035, 0,10≤Cr≤0,40, Fe и неизбежные примеси. Микроструктура листа состоит из следующих фаз: от 20% до 50% межкритический феррит, от 10% до 20% остаточный аустенит, от 25% до 45% отпущенный мартенсит, от 10% до 20% свежий мартенсит и бейнит и от 30% до 60% суммарное количество отпущенного мартенсита и бейнита. Термическая обработка состоит из нагрева под закалку до температуры tA, соответствующей межкритической области, закалку листа при скорости охлаждения от 20°С/с до 50°С/с до температуры закалки QT от Ms - 50°С до Ms - 5°С, нагрев листа до температуры распределения РТ от 375°С до 450°Си выдержку листа при температуре распределения РТ в течение времени распределения Pt, составляющего по меньшей мере 50 с, и охлаждение листа до комнатной температуры. Данный лист может показывать предел текучести до 750 МПа, временное сопротивление разрыву до 980 МПа, относительное удлинение после разрыва более 21%.

Недостатком данного способа являются низкие прочностные показатели. Сочетание прочности и пластичности, определяемое как величина произведения временного сопротивления разрушению на относительное удлинение (σ_B×δ) не превышает 21000 МПа×%.

Из анализа литературных данных выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость в разработке режимов термомеханической обработки высокопрочной среднеуглеродистой стали для изготовления деталей рабочих органов сельскохозяйственной землеройной техники.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка режимов термомеханической обработки среднеуглеродистой стали, обеспечивающих высокую прочность и пластичность.

Техническим результатом изобретения является получение высокопрочного горячекатаного и термически обработанного стального листа из среднеуглеродистой стали, обладающий одновременно высокой прочностью (предел текучести не ниже 1300 МПа) в сочетании с высокой пластичностью (относительное удлинение не менее 21%), в результате чего параметр σ_B×δ≥35 ГПа⋅%.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата выполняется термомеханическая обработка на заготовках из среднеуглеродистой стали с химическим составом, содержащим в мас. % углерод (0,30-0,46), кремний (1,50-2,0), марганец (1,00-1,40), хром (0,80-1,20), молибден (0,20-0,50), ниобий (0-0,1), алюминий (0-0,02), железо и неизбежные примеси. В сталь дополнительно вводят ванадий, ниобий, титан, бор, при следующем количественном соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,30-0,46; кремний 1,50-2,0; марганец 1,0-1,4; хром 0,8-1,2; молибден 0,2-0,5; ванадий 0-0,20; ниобий 0-0,10; титан 0-0,04; бор 0-0,005; железо и неизбежные примеси - остальное.

Режим термомеханической обработки, включающий: горячую прокатку, закалку в горячей среде (соляном расплаве) от температуры прокатки и операцию «распределения».

Для получения высокопрочного стального листа с пределом текучести на растяжение не менее 1300 МПа, пределом прочности не менее 1700 МПа и относительным удлинением не менее 21% из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, алюминий, ниобий, неизбежные примеси, характеризующийся тем, что сталь нагревают до температуры 1100-1080°С и выдерживают при данной температуре не менее 1 часа для гомогенизации, прокатку осуществляют от температуры 1100-1050°С со степенью обжатия не менее 80%, до температуры окончания прокатки, определенной как А_С3 +10°С, но не ниже 870°С, и охлаждают в горячую соль, нагретую до температуры на 30-50°С ниже температуры начала мартенситного превращения Ms, при скорости охлаждения не менее 210-250°С в секунду в интервале 900-300°С, обеспечивая получение в структуре не менее 60% остаточного аустенита при продолжительности операции от 30 до 180 секунд, затем нагревают в растворе расплавленной соли до температуры 350-410°С, что выше температуры начала мартенситного превращения Ms, при этом время «распределения» определяют от 60 до 300 секунд, так, чтобы не допустить образования бейнита в количестве более 15% и охлаждают на воздухе до температуры 200°С со скоростью не более 10°С в секунду для самоотпуска вторичного мартенсита.

Температуру начала мартенситного превращения Ms и объема образовавшегося бейнита определяют путем дилатометрических исследований.

Углерод обеспечивает высокую прочность и твердость сплава. Уменьшение содержания углерода менее заявленного уровня приводит к снижению прочности, а более высокое содержание по сравнению с заявленными пределами отрицательно влияет на пластичность. Углерод также оказывает положительное влияние на закаливаемость указанной стали. В связи с этим, содержание углерода ограничивается пределом от 0,30 до 0,46 масс. %.

Кремний оказывает положительное влияние на способность к закалке и обеспечивает повышенную прочность за счет подавления выделения цементита при операции «распределение». Для обеспечения высокой твердости и прочности, в состав стали включают от 1,5 до 2,0 масс. % кремния. Слишком высокое содержание кремния оказывает отрицательное действие на пластичность и ударную вязкость стали.

Легирование стали хромом приводит к повышению прочности стали. Марганец и хром, повышают прокаливаемость стали, позволяя значительно увеличить толщину закаливаемых деталей при снижении скорости охлаждения при закалке. Высокое содержание хрома (выше 1,2%) приводит к снижению прочности, пластичности и ударной вязкости, поэтому введение в заявленную сталь хрома ограничено в пределах от 0,8 до 1,2 масс. %.

Легирование марганцем приводит к раскислению и упрочнению, а также связывает серу, образуя сульфиды марганца. Содержание марганца в пределах 1,0-1,4 масс. % приводит к улучшению ударной вязкости и твердости.

Легирование стали молибденом в диапазоне 0,2-0,5 масс. % приводит к повышению коррозионной стойкости, твердости, а также улучшает ее прокаливаемость. Также молибден предотвращает отпускную хрупкость в процессе термообработки. Легирование стали молибденом более 0,5 масс. % экономически не целесообразно.

Легирование стали ниобием в пределах 0,01-0,10 масс. % приводит к упрочнению стали, а также к формированию мелкого зерна аустенита при горячей прокатке, и способствует появлению субзеренной структуры, закрепляемой и стабилизируемой дисперсными частицами карбидов и карбонитридов ниобия, а также предотвращает рост зерна аустенита при нагреве под закалку. Увеличение содержания ниобия более 0,10 масс. % приводит к образованию крупных карбонитридов ниобия и снижению вязкости материала, кроме того, является экономически нецелесообразным из-за очень высокой стоимости ниобия и, как следствие, - повышение расходов на легирование.

Легирование стали ванадием в пределах <0,20 масс. % приводит к упрочнению стали за счет формирования карбидов типа MX, и обеспечивает формирование мелкого зерна аустенита при горячей прокатке и способствует появлению субзеренной структуры, закрепляемой и стабилизируемой дисперсными частицами. Увеличение содержания ванадия более 0,20 масс. % приводит к образованию крупных карбонитридов ванадия и снижению вязкости материала, и повышению расходов на легирование.

Титан в количестве является необходимой технологической добавкой для связывания азота, а также для предотвращения формирования нитридов бора. Выделение мелких частиц MX, содержащих титан направлено на увеличение прочности стали.

Титан в количестве <0,04 масс. % является необходимой технологической добавкой для связывания азота, а также для предотвращения формирования нитридов бора. Выделение мелких частиц MX, содержащих титан направлено на увеличение прочности стали. Увеличение же содержания титана более 0,04% приводит к образованию нитридов титана еще в жидкой фазе, росту их в процессе кристаллизации и охлаждения стали, образуя очень крупные включения, снижающие пластичность стали, что, особенно для листовой продукции, недопустимо. При содержании бора более 0,01 масс. %. образуются бориды железа, ухудшающие технологичность стали, в которой проявляется охрупчивание после термообработки.

Алюминий - основной раскислитель, применяемый при выплавке среднеуглеродистых сталей и необходим для связывания азота в нитриды алюминия и для эффективного сдерживания роста зерна, а также для предотвращения связывания бора в нитриды. Остаточное содержании алюминия в стали не должно превышать 0,02 масс. %., т.к. при превышении этого количества в составе неметаллических включений, неизбежно присутствующих в металле, будет большое количество алюминатов и шпинелей, приводящих к снижению прочностных и пластических характеристик.

Горячая прокатка обеспечивает измельчение исходных аустенитных зерен, что благоприятно влияет на структурные параметры мартенсита после закалки. Это, в свою очередь, приводит к повышению механических свойств низко- и среднеуглеродистых сталей до значительно более высокого уровня. Измельчение исходного аустенитного зерна необходимо, чтобы повысить ударную вязкость и предел текучести, а также пластичность сталей. Температура нагрева под прокатку выбирается выше, чем температура аустенизации при традиционной термической обработке (закалка+отпуск), но ниже чем 1150°С для получения минимального размера исходных аустенитных зерен. Обжатие при прокатке не менее 80% используется для повышения прочности стали. Температуры окончания прокатки, определенная как А_С3 +10°С, должна быть не ниже 870°С для возможности осуществления закалки сразу после прокатки.

Для оптимизации свойств среднеуглеродистые стали подвергают двухступенчатой термической обработке «закалка-распределение» (Q&P) после горячей прокатки, чтобы получить структуру, состоящую из первичного мартенсита и бейнита в количестве не менее 45%, 20-30% остаточного аустенита и 25-35% вторичного мартенсита. В предлагаемом способе закалка осуществляется сразу после окончания прокатки, температура закалки подбирается на 30-50°С ниже температуры начала мартенситного превращения Ms, при скорости закалки не менее 210-250°С в секунду в интервале 900-300°С, для получения мартенсита и контролируемого объема остаточного аустенита. Температура и время изотермической выдержки при закалке обеспечивают получение в структуре не менее 60% остаточного аустенита. Время изотермической выдержки при закалке не превышает 180 секунд для предотвращения формирования бейнита в избыточном объеме. Нагрев в печи в расплавленной соли до более высокой температуры по сравнению с температурой закалки необходим для стабилизации остаточного аустенита за счет его насыщения углеродом, который диффундирует в него из мартенсита. «Распределение» проводят при температуре выше Ms в растворе расплавленной соли, нагретой между 350°С и 410°С для выполнения операции перераспределения углерода между мартенситом и остаточным аустенитом. Время распределения составляет от 60 до 300 секунд, а выбор температуры и времени этой операции определяется необходимостью не допустить образования более 15% бейнита при этой операции. Затем следует охлаждение на воздухе до комнатной температуры со скоростью не более 10°С в секунду до температуры 200°С, чтобы успел произойти самоотпуск вторичного мартенсита, который содержит 5 более раз большее количество углерода, чем первичный мартенсит. Температура распределения выбирается ниже, чем температура образования карбида Fe₃C, поскольку его выделение приводит к понижению предела текучести, из-за уменьшения содержания углерода, как в мартенсите, так и в остаточном аустените. В результате такой обработки формируется структура, состоящая из не менее 45% первичного мартенсита и бейнита, 20-30% остаточного аустенита и 25-35% вторичного мартенсита. Формирование такой структуры позволяет достигать одновременно высокой прочности и пластичности.

Примеры осуществления.

Высокопрочный горячекатаный лист из среднеуглеродистой стали со следующим химическим составом масс. %: 0,41 С, 1,81 Si, 1,06 Cr, 1,14 Mn, 0,71 Мо, 0.04 Nb, 0,03 Ti, 0,02 Al, 0,03 В остальное Fe и неизбежные примеси (содержание S и Р не более 0,008 масс. %) был получен горячей прокаткой и обработкой «закалка-распределение» (Q&P). Для подбора температур Q&P обработки определялись температуры Ms и Mf с использованием закалочного дилатометра при скорости закалки не менее 200 град/сек при температуре в интервале 900-300°С и в интервале 300-70°С со скорость 76 град/сек. Температуры Ms и Mf составили 294°С и 72°С.

Пример 1. Высокопрочный горячекатаный лист из среднеуглеродистой стали был получен согласно следующим технологическим операциям:

1) Нагрев заготовки низкоуглеродистой стали в муфельной печи до температуры деформации 1100°С и выдержка в течение 2 часов;

2) Прокатка в интервале температур 1100°С-870°С с обжатием 80%.

3) Закалка, включающая охлаждение от финальной температуры прокатки в горячей среде (соляном расплаве) при температуре 240°С в течение 30 секунд;

4) Распределение при температуре 350°С в течение 60 секунд в соляном расплаве, с последующим охлаждением на воздухе.

Пример 2. Высокопрочный горячекатаный лист из среднеуглеродистой стали был получен согласно следующим технологическим операциям:

1) Нагрев заготовки низкоуглеродистой стали в муфельной печи до температуры деформации 1100°С и выдержка в течение 1 часа;

2) Прокатка в интервале температур 1100-900°С с обжатием не менее 70% и последующим охлаждением на воздухе.

3) Закалка, включающая охлаждение от финальной температуры прокатки в горячей среде (соляном расплаве) при температуре 250°С в течение 120 секунд;

4) Распределение при температуре 400°С в течение 180 секунд в соляном расплаве, с последующим охлаждением на воздухе.

Пример 3. Высокопрочный горячекатаный лист из среднеуглеродистой стали был получен согласно следующим технологическим операциям:

1) Нагрев заготовки низкоуглеродистой стали в муфельной печи до температуры деформации 1100°С и выдержка в течение 2 часов;

2) Прокатка в интервале температур 1100°С-900°С с обжатием не менее 80% и последующим охлаждением на воздухе.

3) Закалка, включающая охлаждение от финальной температуры прокатки в горячей среде (соляном расплаве) при температуре 260°С в течение 180 секунд;

4) Распределение при температуре 410°С в течение 300 секунд в соляном расплаве, с последующим охлаждением на воздухе.

Результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре и твердость по методу Роквелла выполнены в соответствии с ГОСТ. Доля остаточного аустенита определялась с использованием растрового микроскопа с приставкой для ДОРЭ (дифракция обратнорассеянных электронов) анализа. Результаты приведены в таблице 1.

Предложенное техническое решение обеспечивает комплекс высоких эксплуатационных характеристик горячекатаного листа, а именно высокую прочность, твердость и пластичность, кроме того позволяет получать одновременно высокий уровень прочности и пластичности, что подтверждается показателем сочетания прочности и пластичности (σ_B×δ), определяемым как величина произведения временного сопротивления разрушению и относительного удлинения.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способу получения высокопрочного стального листа, и направлено на изготовление из него особо важных элементов сельскохозяйственной землеройной техники, подвергающихся комбинированным нагрузкам. Способ получения высокопрочного стального листа с пределом текучести на растяжение не менее 1300 МПа, пределом прочности не менее 1700 МПа и относительным удлинением не менее 21% из стали, содержащей, мас. %: углерод 0,30-0,46, кремний 1,50-2,0, марганец 1,00-1,40, хром 0,80-1,20, молибден 0,20-0,50, ниобий до 0,1, алюминий до 0,02, при необходимости, по меньшей мере один компонент: титан до 0,04, ванадий до 0,20 и бор до 0,005, железо и неизбежные примеси остальное, характеризуется тем, что стальную заготовку нагревают до температуры 1100-1080°С и выдерживают при данной температуре не менее 1 часа для гомогенизации, прокатку осуществляют от температуры 1100-1050°С со степенью обжатия не менее 80% до температуры окончания прокатки, определенной как А_С3 +10°С, но не ниже 870°С, и охлаждают горячекатаный лист в соляной расплав, нагретый до температуры на 30-50°С ниже температуры начала мартенситного превращения Ms, со скоростью охлаждения не менее 210-250°С в секунду в интервале температур 900-300°С в течение от 30 до 180 секунд с обеспечением получения в структуре не менее 60% остаточного аустенита, затем нагревают лист в соляном расплаве до температуры, которая выше температуры начала мартенситного превращения Ms и составляет 350-410°С, проводят распределение углерода между мартенситом и остаточным аустенитом в течение 60-300 секунд для предотвращения образования бейнита в количестве более 15% и затем охлаждают лист на воздухе до температуры 200°С со скоростью не более 10°С в секунду для самоотпуска вторичного мартенсита. Обеспечивается получение стального листа с высокой прочностью и пластичностью. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

1. Способ получения высокопрочного стального листа с пределом текучести на растяжение не менее 1300 МПа, пределом прочности не менее 1700 МПа и относительным удлинением не менее 21% из стали, содержащей, мас. %: углерод 0,30-0,46, кремний 1,50-2,0, марганец 1,00-1,40, хром 0,80-1,20, молибден 0,20-0,50, ниобий до 0,1, алюминий до 0,02, при необходимости, по меньшей мере, один компонент: титан до 0,04, ванадий до 0,20 и бор до 0,005, железо и неизбежные примеси остальное, характеризующийся тем, что стальную заготовку нагревают до температуры 1100-1080°С и выдерживают при данной температуре не менее 1 часа для гомогенизации, прокатку осуществляют от температуры 1100-1050°С со степенью обжатия не менее 80% до температуры окончания прокатки, определенной как А_С3+10°С, но не ниже 870°С, и охлаждают горячекатаный лист ниже температуры начала мартенситного превращения Ms, со скоростью охлаждения не менее 210-250°С в секунду в интервале температур 900-300°С в течение от 30 до 180 секунд с обеспечением получения в структуре не менее 60% остаточного аустенита, затем нагревают лист в соляном расплаве до температуры, которая выше температуры начала мартенситного превращения Ms и составляет 350-410°С, проводят распределение углерода между мартенситом и остаточным аустенитом в течение 60-300 секунд для предотвращения образования бейнита в количестве более 15% и затем охлаждают лист на воздухе до температуры 200°С со скоростью не более 10°С в секунду для самоотпуска вторичного мартенсита.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру начала мартенситного превращения Ms и объем образовавшегося бейнита определяют дилатометрическим методом.