Способ получения высокопрочного горячекатаного проката Российский патент 2025 года по МПК C21D8/02 C22C38/40 C22C38/54 B21B1/26 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве горячекатаного проката для ответственного назначения в машиностроении (например, изготовления подъемно-транспортных машин, рам лонжеронов).

Известен способ производства хладостойкого листового проката, включающий получение заготовки из стали, ее аустенизацию, деформацию путем черновой и чистовой прокаток и охлаждение, согласно которому заготовку получают из стали, содержащей, мас.%: углерод - 0,04-0,20, кремний - 0,1-0,5, марганец - 0,9-1,9, сера - не более 0,009, фосфор - не более 0,015, хром - не более 0,5, никель - не более 0,4, медь - не более 0,4, алюминий - 0,02-0,07, ванадий - 0,002-0,10, ниобий - 0,01-0,10, титан - 0,003-0,10, молибден - 0,05-0,5, азот - не более 0,010, кальций - не более 0,005, бор - не более 0,005, мышьяк - не более 0,08, цирконий - не более 0,2, железо и неизбежные примеси - остальное, аустенизацию путем нагрева заготовки под прокатку осуществляют до температуры 1150-1300°C, начинают чистовую прокатку при температуре 880-990°C, а заканчивают при температуре 810-920°C, далее осуществляют охлаждение полученного листового стального проката на воздухе до температуры окружающей среды, затем выполняют его термообработку, при которой производят нагрев до температуры 900-950°C, ускоренное охлаждение водой до температуры не более 350°C, повторный нагрев до температуры 500-690°C и последующее охлаждение на воздухе [Патент RU № 2792549, МПК C21D 8/02, C21D 8/0226, C21D 9/46, 2023].

Недостатком известного аналога является длительный срок производства и не оптимальная структура металлопроката.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства горячекатаного проката повышенной прочности, включающий выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой и смотку полосы в рулон, согласно которому выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод - 0,03-0,12, кремний - 0,1-0,5, марганец - 1,5-2,0, сера - не более 0,008, фосфор - не более 0,015, хром - 0,01-0,30, никель - 0,01-0,30, медь - 0,01-0,30, алюминий - 0,01-0,06, ниобий - 0,001-0,10, азот - 0,002-0,010, один или несколько элементов из группы: ванадий - 0,001-0,10, титан - 0,001-0,10, молибден - 0,005-0,30, кальций - 0,0003-0,005, бор - 0,0001-0,005, железо - остальное, и неизбежные примеси, в т.ч.: олово - не более 0,010, свинец - не более 0,010, цинк - не более 0,010, водород - не более 0,001, при этом толщина подката для чистовой прокатки составляет не менее пяти номинальных толщин готового проката, причем начинают чистовую прокатку при температуре не более 950°C, заканчивают чистовую прокатку в диапазоне температур 750-860°C, ускоренное охлаждение задают на основе анализа термокинетических диаграмм распада аустенита для обеспечения бейнито-мартенсито-ферритной структуры с массовой долей бейнито-мартенситной фазы не менее 90% [Патент RU № 2547087, МПК C21D 8/02, B21B 1/26, C22C 38/54, 2015].

Недостатком данного способа являются низкая пластичность произведенного металлопроката.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в разработке способа производства горячекатаного проката ответственного назначения предназначенного для машиностроения. Прокат по заявляемому изобретению должен характеризоваться следующими механическими свойствами: предел прочности не менее 750 МПа, предел текучести не менее 700 МПа, ударная вязкость при -40°С не менее 44 Дж/см² по KCU и не менее 50 Дж/см² по KCV.

Технический результат достигается тем, что в способе получения высокопрочного горячекатаного проката, включающем выплавку стали, разливку стали с получением заготовки, ее аустенизацию, горячую прокатку, охлаждение и смотку полосы в рулон, выплавляют сталь, содержащую, мас.%:

Углерод 0,01-0,10 Кремний 0,02-0,6 Марганец 1,4-2,3 Сера не более 0,01 Фосфор не более 0,03 Хром не более 0,7 Никель не более 0,7 Медь не более 0,7 Алюминий 0,01-0,10 Молибден не более 0,10 Ванадий не более 0,02 Титан 0,08-0,30 Ниобий 0,01-0,20 Бор не более 0,001 Азот не более 0,01, Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом полученный прокат имеет микроструктуру, состоящую из феррита в количестве не менее 90%, и характеризуется пределом текучести не менее 700 МПа, пределом прочности 750-930 МПа, относительным удлинением не менее 12%, ударной вязкостью по KCV при -40°С не менее 50 Дж/см² и ударной вязкостью по KCU при -40°С не менее 44 Дж/см².

Аустенизацию заготовки осуществляют при температуре 1150-1300°С.

Чистовую прокатку начинают при температуре не более 995°С и заканчивают при температуре не более 870°С, после чего осуществляют охлаждение проката со скоростью охлаждения 2-35°C/c до температуры смотки 530-690°С.

Сущность изобретения

Углерод – один из основных упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,01% не достигаются требуемые прочностные характеристики после горячей прокатки. увеличение концентрации углерода выше 0,1% приводит к увеличению прочностных характеристик, но при этом сильно снижается пластичность металла.

Добавка кремния необходима для раскисления стали при выплавке. Для обеспечения необходимого уровня раскисленности его содержание должно быть не менее 0,02%. Увеличение содержания кремния более 0,6% приводит к повышению склонности стали к трещинообразованию.

Легирование стали марганцем в диапазоне 1,4-2,3% позволяет обеспечить оптимальную микроструктуру и требуемый уровень механических характеристик стали. При содержании марганца менее 1,4% снижается прочность и вязкость стали при отрицательных температурах. Содержание марганца более 2,3% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.

Для повышения чистоты стали по вредным примесям содержание серы, фосфора и азота строго регламентировано. Сталь предложенного состава содержит в виде примесей не более 0,01% серы, не более 0,03% фосфора и не более 0,01 азота. При заявленных предельных концентрациях эти элементы не оказывают заметного негативного воздействия на механические свойства горячекатаных листов, тогда как их удаление из расплава существенно повышает затраты на производство и усложняет технологический процесс.

Хром упрочняет сталь, но при концентрации более 0,7% имеет место падение пластичности полосы ниже допустимого уровня.

Добавки меди и никеля в количестве не более 0,7% каждого вносят вклад в твердорастворное упрочнение металла и способствуют повышению хладостойкости. Меньшее содержание этих элементов не позволяет обеспечить требуемую хладостойкость, большее - снижает свариваемость и экономически нецелесообразно.

Содержание алюминия в заявленном диапазоне необходимо для минимизации риска образования большого числа силикатных алюминатных включений. Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,01% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания алюминия более 0,10% приводит к графитизации углерода и снижению прочностных характеристик. При этом снижаются характеристики жаропрочности и ударной вязкости стали за счет дополнительного выделения на границе зерен нитридов алюминия.

Молибден сдерживает рост зерна в процессе кристаллизации и тем самым обеспечивает мелкозернистую однородную структуру. Микродобавки молибдена препятствуют выделению феррита по границам крупных зерен вблизи линии сплавления при сварке, что позволяет сохранить высокую вязкость сварных соединений. Содержание молибдена в количестве не превышающем 0,1% для заявляемой стали способствует получению требуемого уровня прочности и ударной вязкости стали.

Содержание ванадия более 0,02% приводит к ухудшению свариваемости стали и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование.

Содержание титана в диапазоне 0,08-0,30% позволяет измельчить размер зерна, что приводит к дополнительному повышению прочности и пластичности. При большем содержании титана происходит значительное удорожание процесса производства стали, а также повышается склонность стали к охрупчиванию. При меньшем содержании титана не достигаются прочностные показатели.

Содержание ниобия в диапазоне 0,01-0,20% необходимо для ограничения роста аустенитного зерна при нагреве слябов под прокатку, повышения прочностных характеристик. Превышение указанного уровня приводит к наличию крупных карбонитридных включений, сконцентрированных преимущественно в осевой зоне проката, приводящие в свою очередь к снижению таких показателей коррозионной стойкости, как сероводородное и водородное растрескивание. Содержание ниобия менее 0,01% приводит к снижению прочностных характеристик.

Бор повышает прочность стали, а также измельчает микроструктуру. Увеличение содержания бора более 0,001% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.

Осуществляют аустенизацию заготовки при температуре 1150-1300°С. Превышение верхней границы интервала стимулирует аномальный рост зерен аустенита, приводящего к снижению прочностных и вязкостных свойств. При не достижении нижней границы данного температурного интервала нагрева, карбонитриды плохо растворяются в аустените, что оказывает негативное влияние на протекание процессов рекристаллизации, а также снижает прочностные и вязкостные свойства.

Чистовую прокатку начинают при температуре не более 995°С и заканчивают при температуре не более 870°С. Температура начала чистовой прокатки в данном диапазоне необходима для более интенсивного измельчения зерна аустенита. При температуре начала чистовой прокатки более 995°С и конца чистовой прокатки более 870°С происходит рост аустенитных зерен, что снижает комплекс механических свойств.

После чистовой прокатки осуществляют ускоренное охлаждение проката со скоростью 2-35°С/с. При скорости охлаждения ниже 2°С/с в структуре наблюдается рост зерна феррита и снижение механических характеристик, при скорости охлаждения выше 35°С/с снижается пластичность металла, а также снижается ударная вязкость.

Ускоренное охлаждение до температуры смотки 530-690°С является оптимальным для завершающей стадии формирования микроструктуры и всего комплекса характеристик металлопроката.

Микроструктура полученного проката характеризуется ферритной структурой с содержанием феррита не менее 90%. Данная структура достигается оптимально подобранными химическим составом в сочетании с разработанными технологическими режимами прокатки и охлаждения.

Примеры осуществления способа

Сталь выплавляли в конвертере, проводили внепечную обработку и производили разливку в слябы. Далее прокатывали слябы до конечной толщины 4-12 мм при температуре начала чистовой прокатки не более 995°C и заканчивали чистовую прокатку при температуре не более 870°C. После чего осуществляли ускоренное охлаждение проката со скоростью 2-35°C/c. Затем прокат сматывали в рулон при температуре 530-690°C.

В табл 1 приведены химические составы выплавленных слябов с различным содержанием элементов. В табл 2 приведены технологические параметры и механические свойства получаемого проката. Примеры 1-4 это примеры по предлагаемому изобретению, пример 5 по прототипу.

При соблюдении указанных диапазонов химического состава и технологических параметров (примеры №1-4) достигались следующие механические свойства проката: предел текучести не менее 700 МПа, предел прочности 750-930 МПа, относительное удлинение не менее 12%, ударная вязкость по KCU при -40°С не менее 44 Дж/см², ударная вязкость по KCV при -40°С не менее 50 Дж/см².

При выполнении примера по прототипу (пример №5) были получены неудовлетворительные эксплуатационные свойства металлопроката.

Испытания показали, что использование предложенного способа производства проката с соблюдением указанных химического состава и параметров позволяет обеспечить высокие механические свойства проката (предел прочности 750-930 МПа, предел текучести не менее 700 МПа, относительное удлинение не менее 12%, ударная вязкость по KCU при -40°С не менее 44 Дж/см², ударная вязкость по KCV при -40°С не менее 50 Дж/см²).

Таблица 1

Химические составы стали

Плавка C Si Mn S P Cr Ni Cu Al Mo V Ti Nb B N Железо и неизбежные примеси 1 0,05 0,10 1,95 0,004 0,010 0,15 0,13 0,35 0,034 0,075 0,006 0,11 0,072 0,001 0,008 остальное 2 0,09 0,55 2,18 0,003 0,009 0,65 0,29 0,19 0,040 0,060 0,003 0,16 0,046 0,0005 0,004 остальное 3 0,03 0,35 2,05 0,007 0,011 0,50 0,18 0,25 0,038 0,030 0,002 0,15 0,050 0,0002 0,007 остальное 4 0,07 0,20 1,80 0,006 0,015 0,30 0,43 0,55 0,025 0,045 0,0042 0,14 0,038 0,0008 0,005 остальное 5* 0,08 0,24 1,84 0,003 0,009 0,20 0,25 0,31 0,039 0,13 0,060 0,010 0,080 0,0018 0,009 остальное

Таблица 2

Контролируемые параметры и получаемые механические свойства

Пример Контролируемые параметры Эксплуатационные свойства Микроструктура Т_а, °С Т_нп, °С Т_кп, °С Vохл, °С/с Тсм, °С σв, МПа σт, МПа δ, % KCU^-40, Дж/см² KCV^-40, Дж/см² 1 1250 960 870 23 580 780 730 20 94 85 феррит, 100% феррита 2 1200 980 850 25 560 770 720 19 82 78 феррит-перлит, 90% феррита 3 1200 970 850 22 600 770 740 20 101 94 Феррит-перлит, 97% феррита 4 1200 990 830 20 620 760 720 21 124 104 Феррит-перлит, 93% феррита 5* 1280 920 835 30 340 825 690 14 50 30 феррит-бейнит-перлит, 84% феррита

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве горячекатаного проката для ответственного назначения в машиностроении, например, изготовления подъемно-транспортных машин, рам лонжеронов. Способ получения высокопрочного горячекатаного проката включает выплавку стали, разливку стали с получением заготовки, ее аустенизацию, горячую прокатку, охлаждение и смотку полосы в рулон. Выплавляют сталь, мас.%: углерод - 0,01-0,10, кремний - 0,02-0,6, марганец - 1,4-2,3, сера более - 0,01, фосфор не более - 0,03, хром не более - 0,7, никель не более - 0,7, медь не более - 0,7, алюминий - 0,01-0,10, молибден - не более 0,10, ванадий - не более 0,02, титан - 0,08-0,30, ниобий - 0,01-0,20, бор - не более 0,001, азот - не более 0,01, железо и неизбежные примеси - остальное. Полученный прокат имеет микроструктуру, состоящую из феррита в количестве не менее 90%, и характеризуется пределом текучести не менее 700 МПа, пределом прочности 750-930 МПа, относительным удлинением не менее 12%, ударной вязкостью по KCV при -40°С не менее 50 Дж/см² и ударной вязкостью по KCU при -40°С не менее 44 Дж/см². 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Способ получения высокопрочного горячекатаного проката, включающий выплавку стали, разливку стали с получением заготовки, ее аустенизацию, горячую прокатку, охлаждение и смотку полосы в рулон, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

Углерод 0,01-0,10 Кремний 0,02-0,6 Марганец 1,4-2,3 Сера не более 0,01 Фосфор не более 0,03 Хром не более 0,7 Никель не более 0,7 Медь не более 0,7 Алюминий 0,01-0,10 Молибден не более 0,10 Ванадий не более 0,02 Титан 0,08-0,30 Ниобий 0,01-0,20 Бор не более 0,001 Азот не более 0,01 Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом полученный прокат имеет микроструктуру, состоящую из феррита в количестве не менее 90%, и характеризуется пределом текучести не менее 700 МПа, пределом прочности 750-930 МПа, относительным удлинением не менее 12%, ударной вязкостью по KCV при -40°С не менее 50 Дж/см² и ударной вязкостью по KCU при -40°С не менее 44 Дж/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аустенизацию заготовки осуществляют при температуре 1150-1300°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что чистовую прокатку начинают при температуре не более 995°С и заканчивают при температуре не более 870°С, после чего осуществляют охлаждение проката со скоростью 2-35°С/с до температуры смотки 530-690°С.