ВЫСОКОПРОЧНАЯ МАРГАНЦЕВАЯ СТАЛЬ, СОДЕРЖАЩАЯ АЛЮМИНИЙ, СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОГО СТАЛЬНОГО ПРОДУКТА ИЗ УКАЗАННОЙ СТАЛИ И ЛИСТОВОЙ СТАЛЬНОЙ ПРОДУКТ, ПОЛУЧЕННЫЙ В СООТВЕТСТВИИ С ЭТИМ СПОСОБОМ
HIGH-STRENGTH MANGANESE STEEL CONTAINING ALUMINIUM, METHOD OF PRODUCING SHEET STEEL PRODUCT FROM SAID STEEL AND SHEET STEEL PRODUCT OBTAINED ACCORDING TO SAID METHOD

Изобретение относится к высокопрочной марганцевой стали с содержанием алюминия, способу производства плоского стального продукта из этой стали, и к плоскому стальному продукту с получением в соответствии с этим способом.
Европейская патентная заявка ЕР 2383353 А2 раскрывает высокопрочную сталь с содержанием марганца, плоский стальной продукт, созданный из этой стали, и способ производства этого плоского стального продукта. Сталь состоит из элементов (с содержанием в весовых процентах относительно стального расплава): С: до 0,5; Mn: от 4 до 12,0; Si: до 1,0; Al: до 3,0; Cr: от 0,1 до 4,0; Cu: до 4,0; Ni: до 2,0; N: до 0,05; Р: до 0,05; S: до 0,01; при этом остаток - это железо и неизбежные примеси. В качестве опции, представлены один или несколько элементов группы из V, Nb, Ti, при этом суммарное содержание этих элементов равно максимум 0,5. Утверждается, что эта сталь отличается тем, что может быть произведена с меньшими затратами, чем сталь с высоким содержанием марганца, и при этом имеет большие значения по разрушению при растяжении и, в связи с этим, значительно лучшей способностью к деформации. Способ получения плоского стального продукта из высокопрочной стали с содержанием марганца, как описано выше, содержит следующие рабочие этапы:
- выплавка вышеописанного стального расплава;
- производство исходного продукта для последующей горячей прокатки, при этом стальной расплав льется в струю, от которой отделяется по меньшей мере один сляб или тонкий сляб в качестве исходного продукта для горячей прокатки, или в литую полосу, которая подается в процесс горячей прокатки в качестве исходного продукта;
- термообработка исходного продукта для доведения исходного продукта до температуры горячей прокатки от 1150° до 1000°С;
- горячая прокатка исходного продукта для получения горячей полосы при толщине максимум 2,5 мм, при этом горячая прокатка прекращается при конечной температуре горячей прокатки от 1050 до 800°С;
- намотка горячей полосы с образованием катушки при температуре намотки ≤700°С.
Исходя из этого, цель настоящего изобретения - предоставить высокопрочную марганцевую сталь с содержанием алюминия с хорошими свойствами по деформации и с повышенной устойчивостью к отложенному образованию трещин и водородному охрупчиванию, способ производства плоского стального продукта из этой стали, и плоский стальной продукт с получением в соответствии с этим способом, при хорошем сочетании свойств по прочности и по деформации в отношении этой стали.
Эта цель достигается посредством высокопрочной марганцевой стали с содержанием алюминия с признаками по пункту 1 формулы изобретения, способа производства плоского стального продукта, в частности, с использованием вышеуказанной стали, с признаками по пункту 12 формулы изобретения, и плоского стального продукта с получением в соответствии с этим способом по пункту 14 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением, высокопрочная марганцевая сталь с содержанием алюминия, имеющая следующий химический состав, мас. %: С: от 0,01 до 0,3; Mn: от 4 до 10; Al: от 1 до 4; Si: от 0,01 до 1; Cr: от 0,1 до 4; Мо: от 0,02 до 1; Р: менее 0,1; S: менее 0,1; N: менее 0,3; при этом остаток - это железо с неизбежными сопутствующими стали элементами, при легировании в качестве опции одним или несколькими из следующих элементов, мас. %: V: от 0,01 до 1; Nb: от 0,01 до 1; Ti: от 0,01 до 1; Sn: от 0 до 0,5; Cu: от 0,005 до 3; W: от 0,03 до 3; Со: от 0,05 до 3; Zr: от 0,03 до 0,5; Са: от 0,0005 до 0,1, предлагает хорошее сочетание характеристик по прочности, натяжению и деформации. Более того, производство марганцевой стали, в соответствии с настоящим изобретением, при среднем содержании марганца (сталь со средним содержанием марганца) на основе легирующих элементов С, Mn, Cr, Al, Si, и Мо является относительно недорогим. Благодаря повышенному содержанию Al, сталь имеет более низкую удельную плотность в сравнении с прочими марганцевыми сталями с легированием малым количеством Al и при среднем содержании марганца. Марганцевая сталь, в соответствии с настоящим изобретением, также характеризуется повышенной устойчивостью к отложенному образованию трещин (отложенное разрушение) и водородному охрупчиванию. Это достигается посредством осаждения карбида молибдена, действующего, как ловушка водорода.
Сталь, в соответствии с настоящим изобретением, имеет многофазную микроструктуру, состоящую из феррита и/или мартенсита и/или бейнита и остаточного аустенита, с эффектами TRIP и/или TWIP. Содержание остаточного аустенита от 5% до 65%. Остаточный аустенит частично или полностью превращается в мартенсит посредством эффекта TRIP при приложении высоких механических напряжений. Благодаря эффекту TRIP, удлинение при разрушении, в частности, равномерное удлинение, и прочность на разрыв, значительно улучшаются.
Использование термина «до» в определении диапазона содержания, например, от 0,01 до 1%, означает, что предельные значения - 0,01 и 1 в этом примере - тоже учитываются.
Сталь, в соответствии с настоящим изобретением, особенно подходит для производства высокопрочных толстых пластин, горячих и холодных полос, которые могут иметь металлическое или неметаллическое покрытие. Возможно их применение, среди прочего, в автомобильной промышленности, кораблестроении, разработке технологического оборудования, инфраструктуры, в аэрокосмической промышленности и в бытовых приборах.
Предпочтительно, сталь имеет прочность на разрыв Rm от 800 МПа до 1700 МПа, и удлинение при разрушении А50 от 6% до 45%, предпочтительно от 8% до 45%. Испытательный образец А50 использовался для испытаний на удлинение при разрушении в соответствии с DIN 50 125.
Легирующие элементы обычно добавляются к стали для влияния на конкретные свойства нужным образом. Легирующий элемент, таким образом, может влиять на различные свойства в различных сталях. Влияние и взаимодействие обычно сильно зависят от количества, присутствия дополнительных легирующих элементов и состояния раствора в материале. Корреляции изменчивы и сложны.
Эффект от легирующих элементов в сплаве, в соответствии с настоящим изобретением, будет более подробно описан далее.
Положительные эффекты от легирующих элементов, при использовании в соответствии с настоящим изобретением, будут описаны далее:
Углерод С: необходим для образования карбидов, стабилизирует аустенит и повышает прочность. Высокое содержание углерода ухудшает свариваемость, тем самым ухудшая натяжение и ударную вязкость, по этой причине максимальное содержание задано менее 0,3%. Для достижения достаточной прочности материала, требуется минимальное добавление 0,01%.
Марганец Mn: стабилизирует аустенит и повышает прочность и ударную вязкость, допуская образование мартенсита, наведенное деформированием, и/или двойникование в сплавах, в соответствии с настоящим изобретением. Содержание менее 4% недостаточно для стабилизации аустенита и это ухудшает свойства по натяжению, при этом при содержании 10% и более аустенит стабилизируется слишком сильно и это приводит к тому, что свойства по натяжению, в частности, предел текучести, ухудшаются. В соответствии с настоящим изобретением, для марганцевой стали со средним содержанием марганца, предпочтителен диапазон от 4% до 10%.
Алюминий Al: содержание алюминия более 1% повышает прочность и свойства по натяжению, понижая удельную плотность и влияет на поведение при превращении сплава в соответствии с настоящим изобретением. При содержании Al более 4% ухудшаются свойства по натяжению. Более высокое содержание Al также значительно ухудшает поведение при литье при процессе непрерывного литья. Это повышает издержки при литье. При содержании менее 4%, Al задерживает осаждение карбидов. Поэтому, задается максимальное содержание 4% при минимальном содержании от 1%.
Кремний Si: препятствует диффузии углерода и понижает удельную плотность, и повышает прочность и свойства по натяжению и ударной вязкости. В дополнение, при добавлении Si наблюдается улучшение способности к холодной прокатке. При содержании более 1% материал становится хрупким и имеет место отрицательное влияние на возможность горячей и холодной прокатки, и покрытия, например, посредством оцинковки. Поэтому, задано максимальное содержание 1% при минимальном содержании 0,01%. Предпочтительно, максимальное содержание менее 1%.
Хром Cr: повышает прочность и понижает скорость коррозии, задерживает образование феррита и перлита и образует карбиды. Максимальное содержание задано менее 4%, поскольку при большем содержании ухудшаются свойства по натяжению. Минимальное содержание хрома задано 0,1%.
Молибден Мо: действует как карбидообразующий агент и повышает прочность, и повышает устойчивость к отложенному образованию трещин и водородному охрупчиванию. Содержание Мо более 1% ухудшает свойства по натяжению, и поэтому задано максимальное содержание 1% и минимальное содержание 0,02%.
Фосфор Р: Р - это следовой элемент из железной руды, с растворением в железной решетке, как замещающий атом. Фосфор повышает жесткость и улучшает способность упрочняться посредством смешанного кристаллического затвердевания. Однако, делается все возможное для понижения содержания фосфора до настолько малых величин, насколько возможно, поскольку, среди прочего, его низкая скорость диффузии означает, что он имеет сильную тенденцию к сегрегации и сильно понижает уровень ударной вязкости. Присоединение фосфора к границам зерен обычно вызывает трещины на границах зерен при горячей прокатке. В дополнение, фосфор повышает температуру перехода от жесткого поведения к хрупкому поведению до 300°С. По этим причинам, содержание фосфора ограничено до менее 0,1%.
Сера S: подобно фосфору, привязана, как следовой элемент в железной руде. Сера нежелательна в стали, поскольку она проявляет сильную тенденцию к сегрегации и сильно повышает хрупкость, при этом свойства по натяжению и ударной вязкости ухудшаются. Поэтому делается все возможное для достижения низкого, насколько это возможно, содержания серы в расплаве (например, посредством вакуумной обработки). По вышеуказанным причинам, содержание серы ограничено до менее 0,1%.
Азот N: N - это тоже элемент, сопутствующий стали при производстве. В растворенном состоянии он повышает прочность и ударную вязкость в сталях с содержанием марганца выше или равно 4%. Стали с меньшим содержанием марганца < 4 вес. % при наличии свободного водорода имеют выраженный эффект старения. Азот диффундирует даже при низких температурах в дислокации и блокирует их. Тем самым он повышает прочность вкупе с быстрой утратой ударной вязкости. Можно связать водород в форме нитридов, например, посредством легирования алюминием, ванадием, ниобием или титаном. По этим причинам, содержание азота ограничено менее 0,3%.
Обычно элементы микролегирования добавляются в очень малых количествах (менее 0,1% на элемент). В отличие от легирующих элементов, они, в основном, действуют за счет образования осаждения, но также могут влиять на свойства в растворенном состоянии. Несмотря на малые добавляемые количества, элементы микролегирования сильно влияют на условия производства и свойства при обработке, и конечные свойства.
Обычно элементы микролегирования - это ванадий, ниобий и титан. Эти элементы могут растворяться в решетке железа с образованием карбидов, нитридов и карбонитридов с углеродом и азотом.
Ванадий V и ниобий Nb: они способствуют измельчению зерен, в частности, через образование карбидов, при этом улучшая прочность, ударную вязкость и свойства по натяжению. При содержании более 1% нет дополнительных преимуществ. Для ванадия и ниобия, задается минимальное содержание больше или равное 0,02%, а максимальное содержание меньше или равное 1%, как предпочтительное в качестве опции.
Титан Ti: способствует измельчению зерен в качестве карбидообразующего агента, и в то же время повышается прочность, ударная вязкость и свойства по натяжению, при понижении межкристаллитной коррозии. Содержание Ti более 1% ухудшает свойства по натяжению, и поэтому задается максимальное содержание 1%. Предпочтительно минимальное содержание 0,02%.
Олово Sn: олово повышает прочность, но, подобно меди, накапливается под слоем окалины и на границах зерен при высоких температурах. Это приводит к тому, что, благодаря проникновению в границы зерен, образуются легкоплавкие фазы, и, в связи с этим, образуются трещины в микроструктуре, и имеет место хрупкость припоя, и поэтому задается максимальное содержание олова меньше или равное 0,5%, при минимальном содержании 0,005%.
Медь Cu: понижает скорость коррозии и повышает прочность. При содержании более 3% усложняется производство из-за образования легкоплавких фаз при литье и горячей прокатке, и поэтому задается максимальное содержание 3% при минимальном содержании 0,005%. Предпочтительно минимальное содержание 0,5%.
Вольфрам W: действует как карбидообразующий агент и повышает прочность и термостойкость. Содержание W более 3% ухудшает свойства по натяжению, и поэтому задается максимальное содержание 3% при минимальном содержании 0,03%. Предпочтительно минимальное содержание 0,05%.
Кобальт Со: повышает прочность стали, стабилизирует аустенит и улучшает термостойкость. При содержании более 3% ухудшаются свойства по натяжению, и поэтому задается максимальное содержание меньше или равное 3% при минимальном содержании 0,05%. Предпочтительно минимальное содержание 0,08%.
Цирконий Zr: действует как карбидообразующий агент и повышает прочность. Содержание Zr более 0,5% ухудшает свойства по натяжению, и поэтому задается максимальное содержание 0,5% при минимальном содержании 0,03%. Предпочтительно минимальное содержание 0,05%.
Кальций Са: кальций используется для модификации неметаллических оксидных включений, которые в ином случае могут привести к ненужному разрушению сплава из-за включений в микроструктуру, которые действовали бы, как точки концентрации напряжений, ослабляя металлический композит. В дополнение, кальций повышает однородность сплава в соответствии с настоящим изобретением. Для достижения соответствующего эффекта предпочтительно минимальное содержание 0,0005%. При содержании более 0,1% кальция, не будет дополнительных преимуществ при модификации включений, но ухудшится производимость, и этого необходимо избегать по причине высокого парового давления кальция в стальных расплавах. Поэтому, задается максимальное содержание кальция 0,1%.
В соответствии с настоящим изобретением, способ производства плоского стального продукта, в частности, из стали, описанной выше, содержит следующие этапы:
- выплавка стали, содержащей, мас. %: С: от 0,01 до 0,3; Mn: от 4 до 10; Al: от 1 до 4; Si: от 0,01 до 1; Cr: от 0,1 до 4; Мо: от 0,02 до 1; Р: менее 0,1; S: менее 0,1; N: менее 0,3; при этом остаток - это железо, в том числе неизбежные сопутствующие стали элементы, с легированием в качестве опции одним или несколькими следующими элементами, мас. %: V: от 0,01 до 1; Nb: от 0,01 до 1; Ti: от 0,01 до 1; Sn: от 0 до 0,5; Cu: от 0,005 до 3; W: от 0,03 до 3; Со: от 0,05 до 3; Zr: от 0,03 до 0,5; Са: от 0,0005 до 0,1;
- литье стального расплава с получением полосовой заготовки посредством процесса горизонтального или вертикального литья с приближением к конечным размерам, или литье стального расплава с получением сляба или тонкого сляба посредством процесса горизонтального или вертикального литья сляба или тонкого сляба;
- повторный нагрев сляба или тонкого сляба до 1050°С - 1250°С и затем горячая прокатка сляба или тонкого сляба с получением горячей полосы или толстой пластины, или повторный нагрев полученной полосовой заготовки с приближением к конечным размерам, в частности, с толщиной более 3 мм, до 1000°С - 1200°С и затем горячая прокатка пред-полосы с получением горячей полосы или толстой пластины, или горячая прокатка полосовой заготовки без повторного нагрева после литья, с получением горячей полосы или толстой пластины с промежуточным нагревом в качестве опции между отдельными проходами прокатки при горячей прокатке;
- намотка горячей полосы и в качестве опции толстой пластины при температуре намотки между 780°С и комнатной температурой;
- в качестве опции отжиг горячей полосы или толстой пластины при следующих параметрах: температура отжига: 610-780°С, длительность отжига: 1 минута - 48 часов;
- в качестве опции холодная прокатка горячей полосы или полученной полосовой заготовки с приближением к конечным размерам, при толщине менее или равной 3 мм с получением холодной полосы;
- в качестве опции отжиг холодной полосы при следующих параметрах:
температура отжига: 610-780°С, длительность отжига: 1 минута - 48 часов,
что дает плоский стальной продукт с хорошим сочетанием свойств по прочности, натяжению и деформации, при повышенной устойчивости к отложенному образованию трещин и водородному охрупчиванию, с TRIP и/или TWIP эффектом при механической нагрузке благодаря остаточному содержанию аустенита в микроструктуре.
Что касается прочих преимуществ, обратимся к вышеуказанным утверждениям относительно стали в соответствии с настоящим изобретением. Способ дает стальной продукт в виде толстой пластины, горячей полосы или холодной полосы. Имеется условие, что горячая полоса наматывается при температуре максимум 780°С. Нижним пределом является комнатная температура, поскольку температура намотки мало влияет на свойства при последующей обработке. В контексте настоящего изобретения, полосы с толщиной более 3 мм считаются толстой пластиной, при этом такие полосы определенно можно наматывать, например, при толщине 5 мм. Толстая полоса с большей толщиной, например, 50 мм, обращается в лист после горячей прокатки для получения листового материала, потому что иначе ее нельзя смотать. Горячая полоса или холодная полоса также может быть превращена в лист при необходимости.
с
Обычно, конечная температура горячей прокатки находится между 950°С и А1 + 50 K.
Обычно, диапазоны толщины полосовой заготовки - от 1 мм до 35 мм для слябов, и для тонких слябов - от 35 мм до 450 мм. Предпочтительно условие, что сляб или тонкий сляб проходит горячую прокатку для получения горячей полосы или толстой пластины с толщиной от 70 мм до 1,5 мм, или литая полосовая заготовка с приближением к конечным размерам проходит горячую прокатку с получением горячей полосы с толщиной от 8 мм до 1 мм. Холодная полоса, в соответствии с настоящим изобретением, имеет толщину, например, больше, чем 0,15 мм.
В контексте вышеуказанного способа в соответствии с настоящим изобретением, полосовая заготовка, произведенная в процессе литья с двумя валками, с приближением к конечным размерам с толщиной менее, чем, или равной 3 мм, предпочтительно от 1 мм до 3 мм, уже понимается, как горячая полоса. Полосовая заготовка, произведенная, как горячая полоса, не имеет на 100% литую структуру из-за добавленной двумя валками деформации при движении в противоположных направлениях. Поэтому горячая прокатка имеет место уже на производственной линии во время литья с двумя валками, и это означает, что в отдельной горячей прокатке нет необходимости.
При температурах в диапазоне от 720°С до 1200°С имеет место повторный нагрев для горячей прокатки полосовой заготовки после литья для получения горячей полосы, с возможностью промежуточного нагрева между отдельными фазами прокатки в процессе горячей прокатки. Если требуется только несколько фаз прокатки, температура повторного нагрева может выбираться по нижнему пределу этого диапазона.
Горячая полоса, как и толстая пластина, может в качестве опции пройти термообработку при температуре в диапазоне между 610°С и 780°С от 1 минуты до 48 часов, при этом более высокие температуры увязаны с более коротким временем обработки и наоборот. Отжиг может осуществляться и посредством пакетного процесса отжига (более длинное время отжига), и, например, посредством непрерывного процесса отжига (более короткое время отжига). Термообработка так же может быть опущена, если горячая полоса или толстая пластина уже имеет нужные конечные свойства.
После процесса отжига, отожженная горячая полоса может в качестве опции пройти холодную прокатку для задания толщины равной или более 0,15 мм, как это требуется для ее конечного использования. После этого можно осуществить дополнительный процесс отжига, при необходимости, вместе с процессом нанесения покрытия, и процесс дрессировки, посредством которого получается необходимая структура поверхности.
Предпочтительно, плоский стальной продукт проходит оцинковку горячим погружением или электролитическим способом, или наносится металлическое, неорганическое или органическое покрытие.
Плоский листовой продукт, полученный способом в соответствии с настоящим изобретением в виде толстой пластины, горячей полосы или холодной полосы, имеет прочность на разрыв Rm от 800 МПа до 1700 МПа, и удлинение при разрушении А50 от 6% до 45%, предпочтительно от 8% до 45%. В этом случае, высокая прочность увязана с меньшим растяжением при разрушении и наоборот.