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 может быть использовано для изготовления из него ответственных элементов сельскохозяйственной землеройной техники. Настоящее изобретение направлено на получение высокой прочности и пластичности в среднеуглеродистой стали после термомеханической обработки, заключающейся в горячей прокатке и последующей трехступенчатой обработке «закалка-распределение».

На сегодняшний день к сталям для сельскохозяйственной и землеройной техники, предъявляются определенные требования по показателям твердости, предела текучести, временного сопротивления разрушению, 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 заданных характеристик высокопрочные стали подвергают деформационной обработке для дополнительного измельчения структуры и различным способам термической обработки.

Известен способ производства высокопрочной горячекатаной стали, раскрытый в патенте RU 2605037 С1 от 20.12.2016. Согласно данному патенту высокопрочная сталь содержит, масс. %: 0,16-0,45 С, 0,05-0,70 Si, 0,50-1,50 Mn, 0,002-0,008 S, Р не более 0,015, Cr не более 0,15, Ni не более 0,15, Cu не более 0,15, Nb от 0,005 до менее 0,01, Al кислоторастворимый 0,02-0,05, Fe и неизбежные примеси - остальное, при этом соотношение между Mn и S связано зависимостью [Mn]×[S]<0,005. Способ заключается в нагреве заготовки до температуры в диапазоне от 1250°С до 1300°С и последующей горячей прокатке.

Недостатком способа являются низкие прочностные показатели: предел текучести менее 440 МПа и предел прочности менее 685 МПа.

Также известна термическая обработка, которая получила название «Quenching and Partitioning)) или Q&P («закалка-распределение))), которая направлена на получение двухфазной структуры, обеспечивающей высокие прочностные показатели. Термическая обработка Q&P была предложена в 2003 году (Speer J. et al. Carbon partitioning into austenite after martensite transformation // Acta materialia. - 2003. - T. 51. - №. 9. - C. 2611-2622.) для высокопрочных сталей третьего поколения, и применена в качестве нового способа производства сталей с мартенситной структурой и повышенным содержанием аустенита. Q&P обработка включает 3 стадии: (i) аустенитизацию, (ii) охлаждение в горячей среде до температуры закалки (T_q)/QT между температурой начала мартенситного превращения (M_s) и температурой конца мартенситного превращения (M_f), за которой следует (iii) нагрев при более высокой температуре (операция распределения) для стабилизации остаточного аустенита за счет диффузии легирующих элементов, в первую очередь углерода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является патент RU 2677888, в котором раскрыт способ получения высокопрочного листа с пределом прочности на растяжение более 1300 МПа и относительным удлинением после разрыва более 13%. Лист из стали с химическим составом в % масс: 0,1%≤С≤0,4%, 4,5%≤Mn≤5,5%, l%≤Si≤3, 0,2≤Мо≤0,5, Cr≤0,1% железо и неизбежные примеси. Термообработка листа состоит из нагрева до температуры выше Ас3 между 780 и 950°С, закалки листа посредством его охлаждения до температуры закаливания QT в диапазоне между температурами превращения M_s и M_f стали для получения конечной структуры, содержащей по меньшей мере 50% мартенсита и по меньшей мере 10% остаточного аустенита, при этом сумма феррита и бейнита составляет менее чем 10%. Далее следует нагрев листа до температуры перераспределения углерода РТ в диапазоне от 300°С до 500°С и его выдержка в течение времени Pt, большего чем 10 сек и охлаждение листа до температуры окружающей среды. Предлагаемое изобретение позволяет получить высокопрочную листовую сталь, характеризующуюся улучшенной формуемостью.

Данный способ обеспечивает прочностные показатели: предел прочности менее 1500 МПа и относительное удлинение 13%. Сочетание прочности и пластичности, определяемое как величина произведения временного сопротивления разрушению на относительное удлинение (σ_B×δ) не превышает 17000 МПа×%. Недостатком данного способа является относительно высокое содержание Mn в стали и относительно невысокое значение (σ_B×δ).

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 1200 МПа) в сочетании с высокой пластичностью (относительное удлинение не менее 22%), в результате чего параметр σ_B×δ≥34 ГПа⋅%.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата выполняется термомеханическая обработка на 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), остальное 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, включает: горячую прокатку, нагрев до температуры аустенизации, закалку в горячей среде (соляном расплаве) и операцию «распределения». Для получения высокопрочного стального листа с пределом текучести на растяжение не менее 1200 МПа, пределом прочности не менее 1560 МПа и относительным удлинением не менее 22% из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, 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 до температуры не менее 900°С с обжатием 60% и последующим охлаждением на воздухе, затем повторно нагревают до температуры A_C3 +30-50°С, но не ниже 900°С, до полной аустенизации, охлаждают до температуры закалки в соли, предварительно нагретой до температуры на 30-50°С ниже температуры начала мартенситного превращения Ms, при скорости закалки 210-250°С в секунду в интервале температур 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%, с последующим охлаждением на воздухе для самоотпуска.

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 <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 и проводящие к охрупчиванию после термообработки.

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. Используется обжатие при прокатке не менее 60%, чтобы обеспечить повышение свойств стали, с последующим охлаждением на воздухе.

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. Нагрев выполняют до температуры А_С3 +30-50°С, но не ниже 900°С, до полной аустенизации с последующим охлаждением в соли, предварительно нагретой до температуры закалки. В предлагаемом способе температура закалки подбирается на 30-50°С ниже температуры начала мартенситного превращения Ms, для получения мартенсита и контролируемого объема остаточного аустенита. Температура и время изотермической выдержки при закалке обеспечивает получение 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 M_s 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 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. %: 0,44 С, 1,81 Si, 0,82 Cr, 1,33 Mn, 0,28 Мо 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 270°С и 51°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 1080°С и выдержка в течение 1 часа;

2) Прокатка в интервале температур 1100°С-900°С с обжатием 60%) и последующим охлаждением на воздухе.

3) Закалка, включающая аустенизацию при температуре 900°С с выдержкой в течение 300 секунд, охлаждение в горячей среде (соляном расплаве) при температуре 220°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 1080°С и выдержка в течение 2 часов;

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

3) Закалка, включающая аустенизацию при температуре 900°С с выдержкой в течение 300 секунд, охлаждение в горячей среде (соляном расплаве) при температуре 230°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 60% и последующим охлаждением на воздухе.

3) Закалка, включающая аустенизацию при температуре 900°С с выдержкой в течение 300 секунд, охлаждение в горячей среде (соляном расплаве) при температуре 240°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 по сравнению с прототипом 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 может быть использовано для изготовления из него ответственных элементов сельскохозяйственной землеройной техники. Способ получения высокопрочного стального листа с пределом текучести на растяжение не менее 1200 МПа, пределом прочности не менее 1560 МПа и относительным удлинением не менее 22% 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, при необходимости, по меньшей мере один компонент: ниобий до 0,10, ванадий до 0,20, титан до 0,04 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 до температуры не менее 900°С со степенью обжатия 60% и последующим охлаждением на воздухе, затем повторно нагревают до температуры А_С3+(30-50)°С, но не ниже 900°С, до полной аустенизации, охлаждают до температуры закалки в соляном расплаве, предварительно нагретом до температуры на 30-50°С ниже температуры начала мартенситного превращения Ms, со скоростью охлаждения 210-250°С в секунду в интервале 900-300°С в течение 30-180 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 последующее охлаждение листа на воздухе для самоотпуска. 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 1200 МПа, пределом прочности не менее 1560 МПа и относительным удлинением не менее 22% 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, при необходимости, по меньшей мере один компонент: ниобий до 0,10, ванадий до 0,20, титан до 0,04 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 до температуры не менее 900°С со степенью обжатия 60% и последующим охлаждением на воздухе, затем повторно нагревают до температуры A_C3 + (30-50)°С, но не ниже 900°С, до полной аустенизации, охлаждают до температуры закалки в соляном расплаве, предварительно нагретом до температуры на 30-50°С ниже температуры начала мартенситного превращения Ms, со скоростью охлаждения 210-250°С в секунду в интервале 900-300°С в течение 30-180 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 последующее охлаждение листа на воздухе для самоотпуска.

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