СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННОЙ ХЛАДОСТОЙКОЙ СТАЛИ С УРОВНЕМ ПРОЧНОСТИ НЕ МЕНЕЕ 950 МПА Российский патент 2025 года по МПК C21D8/02 C22C38/42 C22C38/44 C22C38/46 C22C38/48 C22C38/50 C22C38/54 B21B3/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаного листового проката из экономнолегированной хладостойкой стали с пределом текучести не менее 950 МПа, предназначенного для изготовления ответственных элементов сварных конструкций тяжелонагруженной техники, в том числе эксплуатируемой в условиях низких климатических температур Арктики и Крайнего Севера.

Известен способ производства горячекатаного плоского проката, преимущественно с содержанием углерода 0,17-0,20% и толщиной полосы 3-8 мм, включающий горячую прокатку металла на широкополосном стане, причем в чистовой группе стана температуру полосы в конце прокатки поддерживают в диапазоне 870-900°С, далее осуществляют дифференцированное охлаждение полосы водой на отводящем рольганге, смотку полосы в рулон при температуре 600-630°С с последующим роспуском горячекатаной полосы (пат. РФ №2289485, МПК В21В 1/26).

Недостатком способа является низкий комплекс механических свойств изготавливаемого горячекатаного проката.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ производства инструментального высокопрочного листового проката, включающий получение непрерывнолитого сляба из стали, содержащей, масс. %: 0,20-0,38 C, 0,20-1,10 Si, 0,50-1,00 Mn, 0,50-1,45 Cr, 0,70-1,30 Ni, 0,20-0,80 Mo, 0,02-0,16 V, 0,02-0,08 Al, 0,001-0,010 N, не более 0,25 Cu, 0,001-0,030 Nb, 0,001-0,020 Ti, не более 0,008 S, не более 0,013 P, остальное Fe. Далее осуществляют горячее деформирование слябов, закалку листов водой при температуре 930-980°С и последующий их отпуск при температуре 550-600°С (пат. РФ №2631063, МПК C21D 8/02, C22C 38/54, C21D9/42).

Недостатком способа является недостаточно высокий комплекс механических свойств изготавливаемого горячекатаного проката, а также более высокие значения углеродного эквивалента, за счет легирования, мас. %: до 0,38 С; 1,45 Cr; 0,8 Mo, что оказывает негативное влияние на свариваемость стали.

Кроме того, достигаемый комплекс свойств обеспечивается за счет использования значительного содержания дорогостоящих легирующих элементов, в том числе Nb, V, Cr, Mo, а также применения дополнительной технологической операции - отпуска. Это приводит к росту себестоимости листовой стали, а также увеличивает время и трудозатраты на производство.

Техническая проблема заключается в получении качественного листового проката из экономнолегированных сталей с высокими прочностными свойствами при сохранении достаточной пластичности и ударной вязкости при температуре до минус 70°C при одновременном снижении затрат на его производство.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в получении требуемого комплекса свойств: условный предел текучести не менее 950 МПа; временное сопротивление не менее 1200 МПа; твердость не менее 350 HBW; относительное удлинение не менее 10%; ударная вязкость при минус 70°С не менее 30,0 Дж/см², за счёт подбора наиболее экономного легирующего состава (оптимального химического состава) стали и рационального режима ее термической обработки.

Поставленная проблема решается тем, что в способе производства горячекатаного листового проката из экономнолегированной хладостойкой стали с пределом текучести не менее 950 МПа, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев до температуры 1200 °С, горячую прокатку листов, закалку в воде, согласно изобретению, осуществляют непрерывную разливку стали, содержащей, мас. %:

углерод 0,17-0,23 кремний 0,20-0,40 марганец 0,70-1,20 молибден 0,10-0,35 алюминий 0,02-0,06 хром не более 0,10 никель 1,10-1,70 медь не более 0,30 титан 0,01-0,03 ванадий не более 0,015 ниобий не более 0,01 бор 0,002-0,005 азот не более 0,007 сера не более 0,003 фосфор не более 0,013 железо остальное,

при этом температуру конца прокатки выбирают в диапазоне 860-940°C, после горячей прокатки листовой прокат охлаждают на воздухе до комнатной температуры, затем проводят закалку в интервале температур 850-930°С с охлаждением в воду.

На механические и эксплуатационные свойства высокопрочной высокотвердой листовой стали влияют химический состав, а также температурно-деформационные режимы обработки. В процессе проведения экспериментальных исследований и разработки заявляемого изобретения осуществляли варьирование химического состава и режимов термообработки, добиваясь стабильного получения высоких прочностных характеристик листов при сохранении достаточных показателей пластичности и вязкости.

Для обеспечения свариваемости, достаточной пластичности и низкотемпературной ударной вязкости стали содержание углерода не должно превышать 0,23%. В то же время при концентрации углерода менее 0,17% не достигается требуемая прочность и твердость стали. При заявляемом содержании углерода удовлетворительное сочетание прочности и хладостойкости достигается за счет формирования однородной бейнитно-мартенситной или полностью мартенситной структуры.

Марганец способствует твердорастворному упрочнению стали и повышению прокаливаемости готового проката. При содержании марганца менее 0,70% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца свыше 1,20% повышает склонность стали к хрупкому разрушению.

Кремний, как и марганец, является легирующим элементом, обеспечивающим твердорастворное упрочнение стали. При содержании кремния в заявляемом диапазоне увеличивается прочность феррита без существенного снижения ударной вязкости стали. При содержании кремния в стали менее 0,20% не достигается необходимая ее прочность.

Легирование никелем в количестве 1,10-1,70% способствует повышению пластичности и вязкости стали. Влияние никеля объясняется ослаблением им углеродно-азотной блокировки дислокаций и уменьшением полей внутренних напряжений, а также увеличением подвижности дислокаций. Кроме того, образуя с α-Fe твердые растворы замещения, никель существенно повышает твердость феррита.

Характер влияния меди на ударную вязкость и хладостойкость стали зависит от её содержания. При концентрациях не более 0,3% влияние меди подобно влиянию никеля, а при более высоком содержании - медь снижает вязкость и хладостойкость низколегированных сталей.

Алюминий в количестве 0,02-0,06% способствует раскислению стали и, как следствие, повышению предела текучести и ударной вязкости. При содержании алюминия более 0,06% он связывает азот, что ведет к снижению прочностных характеристик в связи с образованием неметаллических включений.

Хром повышает прочность и износостойкость стали. Увеличение содержания хрома более 0,10% приводит к потере пластичности.

Легирование молибденом существенно увеличивает прокаливаемость стали за счет эффективного торможения диффузионных процессов. Это способствует получению бейнитных структур при более медленных скоростях охлаждения. Добавки молибдена в количестве менее 0,10% приводят к снижению прочностных и вязкостных характеристик стали. Однако при содержании свыше 0,35% снижается ударная вязкость стали, а также ухудшается её свариваемость.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, связывающим азот. Нитриды титана стабильны при высоких температурах и сдерживают рост зерна аустенита при нагреве сляба под прокатку. Для эффективного микролегирования бором добавка титана должна быть в соотношении близком к стехиометрическому с азотом (Ti ≥ 3,42 N₂). При содержании титана менее 0,010% его влияние проявляется недостаточно, листы имеют низкую прочность и вязкость. Увеличение концентрации титана сверх 0,030% не обеспечивает дальнейшего улучшения свойств.

Микролегирование стали ванадием в количестве более 0,015% может привести к хрупкости стали после закалки, а при содержании ниобия более 0,010% существенно возрастает себестоимость стали.

Для экономии дефицитных легирующих элементов и обеспечения прокаливаемости сталь легируют бором. Оптимальное содержание бора составляет 0,002-0,005%. При содержании в стали азота и отсутствии других нитридообразующих элементов образуется нитрид бора BN, который снижает положительное влияние на прокаливаемость микродобавок бора, но повышает ударную вязкость стали. Выделение боридов по границам исходного зерна аустенита способствует его измельчению. Для получения максимального влияния на закаливаемость концентрация бора должна составлять не менее 0,002%.

Азот способствует измельчению зерна аустенита за счет выделения из твердого раствора мелкодисперсных нитридных и карбонитридных частиц. Увеличение содержания азота более 0,007% снижает сопротивление стали хрупкому разрушению и неблагоприятно сказывается на ее хладостойкости, что обусловлено способностью азота к закреплению дислокаций.

Сера и фосфор в стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть минимальной. Увеличение содержания фосфора приводит к снижению ударной вязкости при отрицательных температурах, оказывая резко отрицательное действие на хладостойкость стали. При концентрации серы не более 0,003% и фосфора и не более 0,013% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.

Таким образом, требуемый уровень прочности стали (не менее 950 МПа) в сочетании с высоким уровнем хладостойкости при температурах до минус 70°С обеспечивается умеренным легированием стали никелем, марганцем, молибденом, медью и введением микролегирующих добавок титана, ниобия, ванадия и бора, обеспечивающих мелкозернистость стали при термической обработке по рациональному режиму.

Температура конца прокатки находится в диапазоне 860-940°C. При температуре завершения пластического деформирования выше 940°С происходит неконтролируемый последеформационный рост аустенитных зерен, что снижает комплекс механических свойств. Уменьшение этой температуры ниже 860°С снижает ударную вязкость и пластичность стали.

После горячей прокатки осуществляется охлаждение листовой стали на воздухе. Закалка в воде горячекатаных листов осуществляется с отдельного нагрева при температуре 850-930°С. Температура менее 850°С не обеспечивает стабильного получения заданных прочностных свойств, а температура выше 930°С приводит к снижению ударной вязкости листовой стали при низких температурах.

Требуемый комплекс свойств листового проката после закалки представлен в таблице 1.

Пример осуществления способа

Выплавку стали выбранных систем легирования осуществляли с использованием вакуумной индукционной печи ZG-0.06L. В качестве исходной металлошихты использовалось технически чистое железо (Армко-железо). Для обеспечения требуемого химического состава в расплав вводились легирующие добавки в виде ферросплавов или чистых металлов (табл. 2).

Нагрев заготовок под прокатку производился в электрической камерной печи с выкатным подом ПВП-300. Температура нагрева металла под прокатку составляла 1200°С.

Обжатие слитков проводили с применением гидравлического пресса (черновая стадия) и одноклетьевого реверсивного стана горячей прокатки 500 ДУО (чистовая стадия). Температура конца чистовой стадии прокатки варьировалась в диапазоне от 855-940°С. Полученные листы охлаждали на воздухе.

Для сравнения получаемых механических свойств термическую обработку для образцов 1 и 6 проводили по режимам, выходящими за заявляемые пределы.

Термическую обработку (дополнительный нагрев под закалку) проката осуществляли в электрической камерной печи по режимам закалки от температур 840-940°С (табл. 3).

Результаты анализа полученных микроструктур образцов (№ 2-5) показали, что закалка в воде от 850°С образцов листового проката из стали заявленного химического состава обеспечивает получение структуры, состоящей из смеси мелкодисперсного реечного мартенсита (80-85%) и бейнита преимущественно реечной морфологии (15-20%). Варьирование химического состава и использование предложенных режима термической обработки позволили в образцах сталей (№2-5) получить целевые значения регламентируемых характеристик (табл. 1). С повышением температуры нагрева под закалку более 930°С наблюдается рост аустенитного зерна, что обуславливает снижение значений ударной вязкости образцов при температуре испытания минус 70°С.

Далее из полученных раскатов изготавливались образцы для проведения механических испытаний на растяжение, твердость и ударный изгиб (табл. 4).

Механические свойства определяли по стандартным методикам:

- испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497-84;

- испытания на ударный изгиб проводили в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с V-образным надрезом при температуре -70°C;

- испытание на твердость по Бринеллю проводили в соответствии с ГОСТ 9012-59.

Результаты испытаний, представленные в таблице 4, показали, что в листовой стали, полученной по предложенному способу (опыты №2-5), достигается сочетание необходимых прочностных, пластических и вязкостных свойств. В случаях отклонений от заявленных параметров (опыты №1 и 6), а также при использовании способа-прототипа не обеспечивается заявленный комплекс механических свойств.

Таким образом, применение заявленного способа производства обеспечивает в закаленном горячекатаном листовом прокате из экономнолегированной хладостойкой стали достижение требуемого уровня прочности в сочетании с высоким уровнем хладостойкости при температурах до минус 70°С: предел текучести не менее 950 МПа, временное сопротивление разрыву не менее 1200 МПа; относительное удлинение не менее 10 %; твердость по Бринеллю не менее 350 HBW, работа удара KCV^-70 не менее 30 Дж/см².

Таблица 1

Требуемый комплекс свойств разрабатываемой продукции

Предел текучести, σ₀₂, МПа не менее Временное сопротивление разрыву, σ_в, МПа не менее Относительное удлинение, δ₅, %, не менее Твердость по Бринеллю, не менее Ударная вязкость KCV, Дж/см², при температуре минус 70°С, не менее 950 1200 10 350 20

Таблица 2

Химический состав экспериментальных сталей

Вариант плавки Массовая доля элементов, % C Si Mn S P Cr Ni Cu Al N Ti V Nb B Mo Fe* 1 0,16 0,17 0,65 0,004 0,015 0,030 1,80 0,06 0,020 0,008 0,035 0,002 0,002 0,006 0,38 ост. 2 0,17 0,21 1,20 0,001 0,008 0,014 1,10 0,10 0,025 0,007 0,025 0,004 0,006 0,003 0,35 ост. 3 0,19 0,26 1,10 0,003 0,008 0,060 1,40 0,21 0,038 0,005 0,015 0,008 0,002 0,004 0,30 ост. 4 0,21 0,30 0,70 0,003 0,005 0,017 1,55 0,24 0,050 0,004 0,024 0,002 0,005 0,003 0,23 ост. 5 0,23 0,28 0,85 0,002 0,004 0,010 1,70 0,30 0,055 0,004 0,010 0,003 0,008 0,005 0,20 ост. 6 0,24 0,32 1,25 0,002 0,010 0,012 1,00 0,22 0,060 0,007 0,008 0,011 0,010 0,001 0,08 ост. Прототип 0,20 0,20 1,00 0,001 0,008 0,500 0,70 0,04 0,02 0,003 0,001 0,020 0,001 - 0,20 ост.

Таблица 3

Режимы термической обработки листового проката

Вариант плавки Температура конца чистовой прокатки, °С Температура закалки, °С Температура отпуска, °С 1 900 940 без отпуска 2 940 930 без отпуска 3 910 900 без отпуска 4 880 870 без отпуска 5 860 850 без отпуска 6 855 840 без отпуска Прототип 930 930 550

Таблица 4

Механические свойства экспериментальных сталей

Вариант плавки Предел текучести, σ₀₂, МПа Предел прочности, σ_в, МПа Относительное удлинение, δ₅, % Твердость HBW Ударная вязкость, KCV^-70, Дж/см² Сэкв* 1 1040 1220 8,1 353 24,0 0,42 2 1180 1320 10,5 401 44,0 0,52 3 1240 1400 12,5 429 40,3 0,54 4 1150 1500 13,0 444 54,2 0,50 5 1380 1440 13,0 429 59,0 0,55 6 1210 1530 9,5 471 21,8 0,60 Прототип 1040 1090 15,0 341 61** 0,56 Примечание:
*Величина углеродного эквивалента (Сэкв) рассчитывается по формуле
Cэкв = C + Mn/6 + (Ni + Cu)/15 + (Cr+Mo+V)/5
**Ударная вязкость при температуре испытания минус 40°С

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаного листового проката из экономнолегированной хладостойкой стали с пределом текучести не менее 950 МПа, предназначенного для изготовления ответственных элементов сварных конструкций тяжелонагруженной техники, в том числе эксплуатируемой в условиях низких климатических температур Арктики и Крайнего Севера. Способ производства горячекатаного листового проката из экономнолегированной хладостойкой стали с пределом текучести не менее 950 МПа включает выплавку стали, содержащей, мас. %: углерод 0,17-0,23, кремний 0,20-0,40, марганец 0,7-1,20, молибден 0,10-0,35, алюминий 0,020-0,060, хром не более 0,10, никель 1,10-1,70, медь не более 0,30, титан 0,010-0,030, ванадий не более 0,015, ниобий не более 0,010, бор 0,002-0,005, азот не более 0,007, сера не более 0,003, фосфор не более 0,013, железо - остальное. Проводят непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев до температуры 1200°С, горячую прокатку листов с температурой конца прокатки в диапазоне 860-940°C, охлаждение на воздухе до комнатной температуры и закалку водой при температурах нагрева 850-930°С. Обеспечивается получение качественного листового проката из экономнолегированных сталей с высокими прочностными свойствами при сохранении достаточной пластичности и ударной вязкости при температуре до минус 70°C: условный предел текучести не менее 950 МПа; временное сопротивление разрыву не менее 1200 МПа; относительное удлинение не менее 10%; твердость по Бринеллю не менее 350 HBW; ударная вязкость KСV^-70 не менее 30 Дж/см². 4 табл.

Способ производства горячекатаного листового проката из экономнолегированной хладостойкой стали с уровнем прочности не менее 950 МПа, включающий непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев до температуры 1200°С, горячую прокатку листов, закалку в воде, отличающийся тем, что осуществляют непрерывную разливку стали, содержащей, мас. %:

углерод 0,17-0,23 кремний 0,20-0,40 марганец 0,70-1,20 молибден 0,10-0,35 алюминий 0,020-0,060 хром не более 0,10 никель 1,10-1,70 медь не более 0,30 титан 0,01-0,03 ванадий не более 0,015 ниобий не более 0,010 бор 0,002-0,005 азот не более 0,007 сера не более 0,003 фосфор не более 0,013 железо остальное,

при этом температуру конца прокатки выбирают в диапазоне 860-940°C, а после горячей прокатки листовой прокат охлаждают на воздухе до комнатной температуры, затем проводят закалку в интервале температур 850-930°С с охлаждением в воду.