СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЬНЫХ ФАБРИКАТОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF HIGH-STRENGTH STEEL PRODUCTS

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано для изготовления высокоупрочненного листового и сортового проката, а также изделий различного назначения, получаемых штамповкой.
Известен способ производства высокопрочных стальных фабрикатов, включающий изготовление заготовки из хромоникелевой стали марки 24Х2НАч, содержащей (мас.%):
Углерод
0,23
Марганец
0,32
Кремний
0,24
Хром
1,55
Никель
1,14
Сера
0,005
Фосфор
0,015
РЗМ
0,03
Алюминий
0,02
Железо
Основа
Заготовку подвергают горячему пластическому деформированию путем прокатки в полосу толщиной 7,5 мм. Образцы, изготовленные из полосы, закаливают от температуры 900°С, после чего и отпускают при температуре 600°С [1].
Недостатки известного способа состоят в том, что образцы после закалки и отпуска имеют низкие прочностные и вязкостные свойства.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства высокопрочных стальных фабрикатов (листов). Способ включает изготовление заготовки из стали марки 17ГС следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,14-0,20
Кремний
0,4-0,6
Марганец
1,0-1,4
Хром
не более 0,3
Никель
не более 0,3
Медь
не более 0,3
Фосфор
не более 0,035
Сера
не более 0,04
Железо и примеси
Остальное
Заготовку нагревают и подвергают горячему пластическому деформированию путем прокатки в лист на реверсивном толстолистовом стане. Прокатанный лист подвергают нормализации или закалке с последующим отпуском (термическому улучшению) [2].
Недостатки известного способа состоят в том, что готовые стальные фабрикаты (листы) имеют низкий комплекс механических свойств, а именно: низкие прочность и ударную вязкость. Это, в свою очередь, приводит к снижению выхода годного.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении комплекса механических свойств и увеличении выхода годного.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства высокопрочных стальных фабрикатов, включающем изготовление заготовки, ее горячее пластическое деформирование, нормализацию или закалку и последующий отпуск, согласно изобретению пластическое деформирование осуществляют в температурном интервале от 1050-1150°С до 850-900°С, нормализацию или закалку ведут от температуры 850-950°С, а отпуск осуществляют при температуре 400-600°С, причем заготовку изготавливают из стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,3-0,6
Марганец
0,6-1,4
Кремний
0,1-0,3
Хром
1,0-1,4
Никель
0,6-2,8
Медь
0,03-0,85
Молибден
0,3-0,6
Ванадий
0,10-0,16
Ниобий
0,05-0,10
Титан
0,01-0,08
Алюминий
0,02-0,08
Бор
0,002-0,010
Сера
не более 0,010
Фосфор
не более 0,015
Железо
Остальное
2
+20
2
2
+20
2
Кроме того, для обеспечения временного сопротивления разрыву 1450-1500 Н/мм и ударной вязкости KCV не менее 20 Дж/см отпуск осуществляют при температуре ниже 500°С, а для обеспечения временного сопротивления разрыву 1350-1500 Н/мм и ударной вязкости KCV не менее 30 Дж/см отпуск осуществляют при температуре не ниже 500°С. То есть выбор температуры отпуска осуществляется с учетом конкретных требований к стальному фабрикату.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. Комплекс механических свойств высокопрочных стальных фабрикатов определяется микроструктурно-фазовым состоянием стали после заключительной термической обработки, которое, в свою очередь, зависит от химического состава стали, температурного диапазона пластического деформирования, температуры нормализации или закалки, а также отпуска.
Нагрев заготовки перед пластическим деформированием приводит к полному растворению в аустените крупных карбидных включений. Комплексное легирование стали карбонитридообразующими элементами (ванадием, ниобием, титаном, бором), как показали исследования, препятствует протеканию процессов полигонизации на всех этапах деформационно-термической обработки. Эти элементы выделяются на дислокациях и замедляют образование ферритных зерен.
Пластическое деформирование заготовки в температурном интервале от 1050-1150°С до 850-900°С обеспечивает измельчение аустенитных зерен, стимулирует выпадение из твердого раствора упрочняющих мелкодисперсных карбидных и карбонитридных частиц. Закалка (или нормализация) после нагрева до температуры 850-950°С обеспечивает полное протекание полиморфного превращения аустенита в дислокационный мартенсит, благодаря чему стальной фабрикат приобретает предельно высокие прочностные свойства.
Микроструктурно-фазовое состояние закаленной (или нормализованной) стали предложенного химического состава характеризуется повышенной термической устойчивостью. Вследствие этого высокий отпуск при температурах 400-600°С не приводит к значительному ее разупрочнению, в то же время он снимает остаточные внутренние термические и фазовые напряжения. Благодаря этому стальные фабрикаты, сохраняя предельно высокие прочностные свойства, приобретают повышенные вязкостные свойства. Следствием такого повышения комплекса механических свойств является увеличение выхода годных стальных фабрикатов.
Экспериментально установлено, что при температуре начала пластического деформирования выше 1150°С не исключается образование внутренних трещин вследствие ослабления и окисления границ зерен кристаллитов. Уменьшение этой температуры ниже 1050°С приводит к неполному растворению карбидных включений в аустените, что снижает прочностные свойства фабрикатов.
При температуре завершения пластического деформирования выше 950°С происходит неконтролируемый последеформационный рост аустенитных зерен, что снижает комплекс механических свойств. Уменьшение этой температуры ниже 850°С снижает ударную вязкость и пластичность стальных фабрикатов.
В случаях нормализации или закалки стальных фабрикатов от температуры выше 950°С в фазовом составе стали увеличивается доля остаточного аустенита, что снижает ее прочностные свойства. При нормализации или закалке от температуры ниже 850°С не обеспечивается стабильное получение заданных прочностных свойств, что снижает выход годного.
Отпуск нормализованных или закаленных листов при температуре выше 600°С резко снижает их прочностные свойства. Уменьшение температуры отпуска ниже 400°С приводит к потере вязкостных и пластических свойств высокопрочных листов, что уменьшает выход годного.
При температурах отпуска 500°С и выше, происходит некоторое снижение прочностных свойств, но достигаются более высокие вязкостные свойства. В то же время, при температуре отпуска не более 500°С достигается предельно возможная прочность, но снижаются вязкостные и пластические свойства стали.
Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,3% не достигается требуемая прочность фабрикатов, а при его содержании более 0,6% ухудшается ударная вязкость и пластичность.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,6% прочность и вязкость стали недостаточна. Увеличение содержания марганца более 1,4% приводит к снижению ударной вязкости и ухудшению пластических свойств фабрикатов.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,1% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,3% снижается вязкость и пластичность термоулучшенной стали.
Хром повышает прочность и вязкость стали. При его концентрации менее 1,0% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 1,4% приводит к потере пластичности и снижению вязкости из-за роста карбидов.
+20
Никель и медь повышают прочность и пластичность стали. Кроме того, никель и медь повышают устойчивость аустенита, что особенно важно при завершающей термообработке стальных фабрикатов. При концентрации никеля менее 0,6% или меди менее 0,03% стальные фабрикаты имеют недостаточные пластические свойства, что снижает выход годного. Увеличение концентрации никеля более 2,8% или меди более 0,85% приводит к снижению показателя ударной вязкости KCV.
Молибден повышает прочность и улучшает вязкостные свойства стальных фабрикатов. При содержании молибдена менее 0,3% прочность и вязкость стали недостаточны, а увеличение его концентрации сверх 0,6% приводит к тому, что снижается пластичность стальных фабрикатов.
Ванадий, ниобий, титан, алюминий и бор сдерживают протекание нежелательного процесса полигонизации, что предотвращает потерю прочностных свойств и твердости закаленной (нормализованной) стали после высокотемпературного отпуска, а также способствуют измельчению составляющих микроструктуры. Однако если содержание ванадия будет более 0,16%, ниобия более 0,10%, титана более 0,08%, алюминия более 0,08% или бора более 0,010%, то имеет место снижение пластических свойств и выхода годного. При содержании ванадия менее 0,10%, ниобия менее 0,05%, титана менее 0,01%, алюминия менее 0,02% и бора менее 0,002% высокотемпературный отпуск приведет к резкому падению прочностных свойств и снижению выхода годного.
Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,010% и фосфора не более 0,015% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.
Примеры реализации способа
Пример 1.
Для производства высокопрочных стальных фабрикатов использовали заготовки из сталей, химический состав которых приведен в табл.1.
нд
кд
Заготовки из стали с составом №3 нагревали до температуры начала пластического деформирования Т=1100°С и осуществляли их ковку в фабрикаты-прутки квадратного сечения 14×14 мм. Ковку завершали при температуре Т=870°С.
з
отп
Фабрикаты нагревали до температуры закалки Т=900°С, после чего осуществляли закалку в воде. Закаленные фабрикаты подвергали высокотемпературному отпуску при температуре Т=480°С (т.е. ниже 500°С).
в
т
5
2
2
+20
2
После отпуска фабрикаты приобрели следующий комплекс механических свойств: σ=1500 Н/мм; σ=1200 Н/мм; δ=24%; KCV=29 Дж/см.
Выход годных (по механическим свойствам) высокопрочных стальных фабрикатов составил: Q=99,9%.
Пример 2.
нд
кд
з
отп
Заготовки из стали с составом №3 нагревали до температуры начала деформирования Т=1140°С и подвергали горячей прокатке на сортовом стане 250 в прутки круглого сечения диаметром d=16 мм. Прокатку завершали при температуре Т=900°С. Полученные фабрикаты нагревали до температуры Т=905°С и охлаждали на воздухе (подвергали нормализации). Затем фабрикаты отпускали путем нагрева до температуры Т=560°С (т.е. не ниже 500°С).
После отпуска высокопрочные стальные фабрикаты приобрели следующий комплекс механических свойств:
в
т
5
2
2
+20
2
σ=1400 Н/мм; σ=1100 Н/мм; δ=28%; KCV Дж/см.
Выход годных (по механическим свойствам) высокопрочных стальных фабрикатов составил: Q=99,8%.
Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности представлены в табл.2.
Таблица 1
Составы сталей для производства высокопрочных фабрикатов
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
C
Mn
Si
Cr
Ni
Cu
Mo
V
Nb
Ti
Al
B
S
P
Fe
1.
0,2
0,5
0,09
0,9
0,5
0,02
0,2
0,09
0,04
0,009
0,01
0,001
0,005
0,007
Остальн.
2.
0,3
0,6
0,1
1,0
0,6
0,03
0,3
0,10
0,05
0,01
0,02
0,002
0,005
0,006
-:-
3.
0,5
1,0
0,2
1,2
1,6
0,44
0,5
0,14
0,07
0,04
0,05
0,006
0,007
0,009
-:-
4.
0,6
1,4
0,3
1,4
2,8
0,85
0,6
0,16
0,10
0,08
0,08
0,010
0,010
0,015
-:-
5.
0,7
1,5
0,4
1,5
2,9
0,86
0,7
0,17
0,11
0,09
0,09
0,011
0,011
0,016
-:-
6.
0,2
0,7
0,5
0,3
0,3
0,2
-
-
-
-
-
-
0,030
0,028
-:-
Таблица 2
Режимы производства высокопрочных стальных фабрикатов и их эффективность
№ п/п
№ состава
Т<sub>нд</sub>, °С
Т<sub>кд</sub>, °С
Т<sub>з</sub>, °С
Т<sub>отп</sub>, °С
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
KCV<sup>+20</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
Q, %
1.
1
1040
840
840
390
800
670
14
16
70,2
2.
2
1050
850
850
400
1450
1230
21
22
99,5
3.
3
1100
870
900
480
1480
1200
24
29
99,9
4.
4
1150
900
950
490
1500
1190
25
28
99,7
5.
4
1060
860
860
500
1500
1180
27
30
99,8
6.
3
1140
900
905
560
1390
1100
28
35
99,8
7.
2
1145
890
945
600
1350
1150
29
36
99,7
8.
5
1160
910
960
620
990
820
19
18
65,0
9.
6
1200
840
845
390
750
620
19
20
86,7
Из данных, представленных в табл.2, следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-7, составы сталей №2-4) достигается повышение комплекса механических свойств высокопрочных стальных фабрикатов и увеличение выхода годного. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №8, составы стали №1 и №5), а также способа-прототипа (вариант №9, состав стали №6) имеет место снижение комплекса механических свойств и выхода годного.
В качестве базового объекта для определения эффективности предложенного способа выбран способ-прототип. Реализация предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства высокопрочных стальных фабрикатов на 25-30%.
Источники информации
1. Патент РФ №2131932, МПК C21D 1/25, C21D 1/02, C21D 8/00, 1999 г.
2. Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М.: Металлургия, 1989, с.242-243, 268.