СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ХОЛОДНОКАТАНОЙ СТАЛЬНОЙ ЛЕНТЫ ТОЛЩИНОЙ 0,30-1,5 ММ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ С ПРЕДЕЛОМ ПРОЧНОСТИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ 800 -1200МПа
METHOD OF HEAT TREATMENT OF COLD-ROLLED STEEL TAPE OF 0,30-1,5 mm FROM STRUCTURE STEEL WITH A TENSILE STRENGTH OF 800-1,200 MPa

Предлагаемое изобретение относится к черной металлургии, в частности к термической обработке холоднокатаной стальной ленты из конструкционных сталей, и может быть использовано при производстве высокопрочной упаковочной ленты, предназначенной для обвязки, упаковки, пакетирования, крепления крупногабаритной продукции, соединения в моноблоки отдельных единиц с целью исключения повреждения и порчи товара при доставке потребителю, используемой в металлургической, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности.
Современные механизированные способы упаковки предъявляют особые требования к упаковочной ленте: прочность, достаточную для фиксации продукции при транспортировке и хранении; пластичность, обеспечивающую образование надежных «замков» обвязки; состояние поверхности, обеспечивающее скольжение соприкасающихся поверхностей, а также стойкость к атмосферной коррозии.
B
100
B
100
B
100
Наиболее полно данным требованиям отвечает лента следующих классов прочности, класс UMC800HE с временным сопротивлением разрыву σ≥800 МПа и относительным удлинением δ≥10%, UMC970HE с временным сопротивлением разрыву σ≥970 МПа и относительным удлинением δ≥7,5%, UMC1200 USLM с временным сопротивлением разрыву σ≥1200 МПа и относительным удлинением δ≥7,0%.
с3
Известен способ термической обработки стали, осуществляемый путем нагрева до температуры на 20-30°С выше А, выдержки при этой температуре и охлаждения в расплавленном свинце при 540-560°С без последующего отпуска (см., например, Справочник термиста, А.А. Шмыков, Москва, 1952). Операция патентирования применима, как правило, к сортовому прокату и в отдельных случаях используется в качестве финишной термической обработки ленты.
3
2
Известен способ обработки стальной ленты с содержанием углерода 0,45-0,56%, включающий патентирование металла с нагревом в печи с избытком природного газа и выдержкой в расплаве из смеси 98%NaNO и 2%MnO при температуре 350-400°С, промывку в холодной воде, покрытие воском и сушку горячим воздухом, после чего ленту пропускают через адгезирующие ролики (патент РФ №2145360 C21D 9/52, 8/02, 2000).
3
2
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ обработки стальной ленты из марганцовистой стали с содержанием углерода в пределах 0,26-0,35%, включающий патентирование металла с нагревом в печи с недостатком кислорода до температуры 920-980°С и изотермической выдержкой в расплаве из смеси NaNO и MnO при температуре 380°С, с последующим охлаждением проточной водой, электрохимическим травлением в 16%-ном растворе серной кислоты, после которого металл дополнительно промывают холодной водой и сушат при температуре около 300°С, а затем пропускают горячую ленту в течение 1-3 с через ванну с водно-восковой эмульсией с последующим обтиром прокладками поверхности движущегося металла (патент РФ №2238987 C21D 8/02, 1/20, 9/52, 2004).
Недостатками данных способов являются отсутствие регламентации временных параметров термической обработки, а также сложности обеспечения требуемого уровня механических свойств в широком диапазоне толщин (0,30÷1,50 мм) и уровне легирования. Это, в свою очередь, не позволяет обеспечить в упаковочной ленте из углеродистой стали, изготавливаемой в агрегатах патентирования с изотермической выдержкой в расплаве свинца, уровень характеристик, соответствующих заявляемым классам прочности 800-1200.
На основании вышеприведенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что для специалиста, заявляемый способ производства патентированного высокопрочного холоднокатаного проката, не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Техническим результатом изобретения является разработка режимов термической обработки ленты в толщинах от 0,30 до 1,50 мм с гарантированным пределом прочности 800-1200 МПа и относительным удлинением не менее 7-10%.
Технический результат достигается тем, что холоднокатаную ленту толщиной 0,30-1,50 мм, из стали с содержанием 0,14-0,70% углерода, 0,15-0,60% кремния и 0,40-1,60% марганца нагревают со скоростью 8,0-18,0°С/с до температуры, определяемой из выражения:
где Тн - расчетная температура нагрева ленты под патентирование, °С;
Эхс - эквивалент химического состава, определяемый из выражения:
где С, Mn, Si - углерод, марганец, кремний, масс. %,
выдерживают при заданной температуре в течение 20-35 с в атмосфере, содержащей 0,5-2,4% СО, после чего подвергают изотермической выдержке в расплаве свинца в течение 20-50 с при температуре 440-500°С.
Достижение технического результата обеспечивается за счет формирования в углеродистой и низколегированной стали мелкодисперсной сорбито-бейнитной или бейнитной структуры при минимальном содержании (или полном отсутствии) структурно свободного феррита после термической обработки с регламентацией температурно-временных параметров нагрева в области протекания статической рекристаллизации аустенита, обусловленной фазовым наклепом вследствие α→γ превращения. Выбранная комбинация легирующих элементов обеспечивает требуемое состояние аустенита перед закалкой, что достигается соответствующим содержанием углерода, кремния и марганца.
Углерод в пределах 0,14-0,70% при заявляемых температурно-временных параметрах обработки способствует формированию микроструктуры, состоящей из смеси сорбита и бейнита (или полностью бейнита) с минимальной долей структурно свободного феррита. При содержании углерода менее 0,14% в готовой ленте формируется феррито-сорбитная смесь, не позволяющая обеспечить требуемый класс прочности. При содержании углерода более 0,70% по границам колоний бейнита выделяется структурно свободный цементит, который не позволяет получать относительное удлинение на уровне 7,0% и увеличивает склонность к трещинообразованию.
Кремний добавлен для раскисления и повышения прочностных характеристик. При концентрации кремния менее 0,15% прочность стали ниже допустимой. При содержании кремния более 0,60% происходит значительное искажение кристаллической решетки α-Fe, что увеличивает ее сопротивление движению дислокаций и препятствует релаксации высоких упругих микронапряжений, вследствие чего происходит понижение показателей пластичности, увеличение склонности к трещинообразованию (сталь не выдерживает испытания на холодный изгиб).
Марганец в количестве 0,40-1,60% позволяет гарантировать высокий уровень прочностных характеристик. Повышение содержания марганца в качестве легирующего элемента для низкоуглеродистой стали с большой прочностью неперспективно вследствие:
- значительного развития склонности к отпускной хрупкости при концентрации марганца свыше 1,60% в сочетании с неизбежным наличием в стали фосфора, поскольку марганец и фосфор являются горофильными элементами, концентрирующимися при замедленном охлаждении по границам зерен;
- усиления центральной сегрегации в непрерывнолитом слябе и ухудшения пластичности металла.
3
3
Зависимость, позволяющая рассчитать влияние элементов химического состава на завершение полиморфного α→γ превращения (температура Ас), при заявляемых температурно-временных условиях нагрева холоднокатаной ленты, получена при обработке результатов дилатометрических исследований, проведенных в условиях ООО «УМК». Набранный массив данных подвергался статистической обработке с применением корреляционно-регрессионного анализа. В результате было получено уравнение множественной регрессии, связывающее температуру завершения полиморфного превращения Ас с выбранными параметрами химического состава, на основании которого, в целях упрощения процесса управления и оперативного принятия решения, была выведена формула Эхс (2), показывающая влияние основных легирующих элементов (в исследованном диапазоне их изменения) на положение критических точек.
3
Температура Ас, определенная с помощью дилатометрических исследований, не учитывает влияния масштабного фактора и процессов статической рекристаллизации аустенита, следовательно, необходима температурная поправка на указанные параметры, учтенная в формуле Тн (1). Приведенные в формуле (1) безразмерные коэффициенты эмпирические и получены при обработке опытных данных производства ленты в условиях агрегата патентирования ООО «УМК».
Скорость нагрева до температуры Тн и время выдержки при данной температуре выбраны исходя из обеспечения мелкого рекристаллизованного зерна аустенита. В случаях, когда скорость нагревания составляет менее 8,0°С/с, требуется длительное время для достижения лентой целевой температуры повторного нагрева, что приводит к снижению производительности, а также к увеличению размеров зерна. Отклонение от верхних значений нормируемых параметров нагрева, приводит к формированию разнозернистой структуры готовой ленты. Все это способствует снижению показателей пластичности.
В секциях прямого пламенного нагрева печи аустензации происходит очистка поверхности полосы при ее нагреве непосредственно в восстановительной атмосфере, которая производится при горении природного газа и воздуха, смешиваемых при соотношении несколько ниже оптимального коэффициента избытка воздуха при сжигании газа. Восстановительная атмосфера достигается за счет поддержания в продуктах горения доли СО на уровне 0,5-2,4% и обеспечивает отсутствие на поверхности ленты продуктов окисления, снижающих теплообмен между расплавом свинца и самой лентой, способствую, тем самым, повышению равномерности и однородности механических свойств как по длине, так и по ширине ленты. Отсутствие окисной пленки исключает ее осыпание при перегибах, повышая, тем самым, технологичность ленты при эксплуатации.
Время изотермической выдержки 20-50 с ограничено с одной стороны временем полного протекания процессов γ→α превращения, с другой, производственными и материальными затратами. Температура изотермической выдержки в пределах от 440 до 500°С способствует формированию мелкодисперсной сорбито-бейнитной или бейнитной структуры при минимальном содержании (или полном отсутствии) структурно свободного феррита.
Пример осуществления способа
Опытную проверку предлагаемого способа осуществляли при производстве патентированной ленты из холоднокатаной нагартованной полосовой стали в условиях ООО «Уральская Металлообрабатывающая Компания». В качестве исходной заготовки использовали холоднокатаную нагартованную и отожженную ленту. Ленту подвергали термической обработке в высокопроизводительном агрегате патентирования, окрашиванию и покрытию воском.
Испытание на растяжение, для оценки уровня механических свойств, проводили на плоских пропорциональных образцах по ГОСТ 11701, оценку микроструктуры проводили с помощью оптической микроскопии в соответствии с ГОСТ 5639 и ГОСТ 5640.
Технологические параметры производства ленты, механические свойства и микроструктура стали представлена в таблице 1. По варианту №3,4, 9 была произведена лента, параметры технологии производства которого выходят за объемы предмета данного изобретения (сравнительный вариант).
Полученную ленту испытывали при механизированной упаковке пачек и рулонов листовой стали в цехах ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Из таблицы 1 видно, что лента, обработанная по режимам №3, 4, 9 либо не соответствует требованиям по пределу прочности, предъявляемым к классам прочности 800-1200, либо по показателям пластичности.
На основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в наиболее близком аналоге.
Заявляемый способ может найти широкое применение при производстве высокопрочной ленты с требуемыми регламентируемыми механическими параметрами.
Следовательно, заявляемый способ, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».