СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛОС ТОЛЩИНОЙ 4-10 ММ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
METHOD FOR PRODUCING STRIPS 4-10 mm THICK FROM LOW-ALLOY STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению конструкционного проката, и может быть использовано при производстве проката на непрерывных широкополосных станах горячей прокатки, который применяют для изготовления лонжеронов грузовых автомобилей, а также для производства высоконагруженных конструкций.
Одним их важных технологических процессов в производстве конструкционного проката является обработка стали давлением, а именно прокаткой, которая  не только позволяет придать определенные  формы и размер, но и существенно улучшает механические и физические  свойства стали.
Горячая прокатка проводится с целью изменить механические, физические, технологические и эксплуатационные свойства стали в желательном направлении путем изменения ее структуры, для улучшения таких механических свойств как прочность, упругость, износостойкость и усталостная прочность, либо для улучшения ее обрабатываемости путем снижения твердости.
Важным технологическим процессом, влияющим на качество готового проката, является  режим охлаждения смотки готового проката.
В зависимости от предъявляемых требований и химического состава применяют быстрое или медленное охлаждение смотки готового проката. При медленном охлаждении в структуре сталей образуется карбидная сетка, что не допускается техническими условиями. Для большинства легированных сталей не допускается быстрое охлаждение. В процессе быстрого охлаждения в стали могут образовываться поверхностные и внутренние трещины (флокены). Поверхностные трещины обнаруживаются визуально, а флокены наблюдаются в продольном и поперечном сечениях после травления, где они обнаруживаются в виде радиальных и продольных трещин. Предотвратить развитие трещин и флокенов можно правильным выбором режима охлаждения смотки готового проката стали.
Из уровня техники известен способ производства листов из низколегированной стали (Патент РФ № 2191833, МПК C21D8/02, опубл. 27.10.2002 г.). Способ включает нагрев слябов под прокатку, многопроходную горячую прокатку, последующий нагрев, закалку и отпуск, в котором обжатие в последнем проходе устанавливают не менее 15% при температуре конца прокатки не выше 950°С, а нагрев под прокатку осуществляют до 1200-1300°С. Закалку листов производят при температуре не более 940°С и не менее 920°С, а отпуск осуществляют путем нагрева листов до 590-640°С при удельном времени нагрева 1,05-2,1 мин/мм толщины листа. После закалки проводят их охлаждение со средней скоростью 1-4°С/с, сталь марки 14ХГ2САФД при этом имеет следующий химический состав, мас.%:
углерод                                                                 0,12-0,18
марганец                                                               1,4-1,9
кремний                                                                 0,4-0,7
хром                                                                      0,5-0,8
медь                                                                      0,3-0,6
никель                                                                   не более 0,3
алюминий                                                              0.03-0,07
ванадий                                                                 0,08-0,16
азот                                                                       0,01-0,02
сера                                                                      не более 0,02
фосфор                                                                 не более 0,035
железо остальное.
Однако прокат, полученный таким способом, обладает низкой пластичностью, что может привести к образованию трещин при изготовлении деталей, а диапазон применения такого проката очень ограничен.
Также из уровня техники известен способ производства штрипсов из проката низколегированной стали (Патент РФ № 2341565, МПК C21D8/02, C22C38/20, опубл. 20.05.2008 г.). Способ включает получение сляба, нагрев сляба, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины в регламентированном температурном диапазоне, охлаждение водой до температуры смотки. Сляб, согласно такого способа, получают из стали, содержащей, мас.%:
углерод
0,22-0,28
кремний
0,15-0,35
марганец
1,0-1,4
алюминий
0,02-0,05
кальций
не более 0,02
титан
не более 0,03
хром
не более 0,40
медь
не более 0,40
сера
не более 0,010
фосфор
не более 0,015
азот
не более 0,012
железо
остальное
Многопроходную чистовую прокатку в данном способе проводят в диапазоне температур от 960-1050°С до 820-890°С, при содержании углерода в стали 0,22-0,24%. Полученные  штрипсы, в зависимости от толщины, охлаждают водой до температуры смотки 600-650°С или 580-640°С, а при содержании в стали углерода более 0,24 мас.% штрипсы необходимо охлаждать водой до температуры смотки.
Недостатком этого способа является получение  полосчатой структуры проката с плотными перлитными слоями, что неизбежно приведет к  образованию торцевых трещин при производстве различных несущих деталей, например таких как лонжероны.
2
Наиболее близким к предложенному является способ получения конструкционного проката стали из стали толщиной 4-10 мм с высокими прочностными характеристиками σт≥490 МПа, σв≥570 МПа, ударной вязкостью KCU-40 не менее 40 Дж/см, обеспечивающий исключение образования торцевых трещин при изготовлении деталей операцией вырубки (Патент РФ № 2679675, МПК C21D8/02, опубл. 12.02.2019 г.). Способ включает нагрев, черновую прокатку, чистовую прокатку  стали,  имеет следующее соотношение компонентов, мас. %:
углерод
0,16-0,22
марганец
1,40-1,65
кремний
0,25-0,55
хром
0,10-0,40
никель
0,03-0,40
медь
0,05-0,40
ниобий
0,01-0,06
ванадий
0,10-0,16
фосфор
не более 0,020
сера
не более 0,006
алюминий
0,01-0,06
кислород
не более 0,003
железо и неизбежные примеси
остальное.
2
деформацию завершают при температуре 870-940°С с последующим ускоренным охлаждением до температуры смотки в два этапа, причем первый этап проводят со скоростью 15÷50°С/с до температуры 550÷650°С, а второй этап - со скоростью 6÷15°С/с до температуры 450÷550°С, после чего проводят двойной нагрев проката, при этом осуществляют нагрев сначала до температуры Ас3+(20÷40)°С с последующим охлаждением на воздухе, затем до температуры Ас1±30°C с последующим охлаждением на воздухе. Готовый прокат обладает прочностными характеристиками σт≥490 МПа, σв≥570 МПа и ударной вязкостью KCU-40 не менее 40 Дж/см.
Недостатком такого способа является невысокие прочностные характеристики конструкционного проката.
Задачей заявленного изобретения является улучшение прочностных  характеристик полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали по отношению к таким же характеристикам, указанным  в прототипе.
Техническим результатом является улучшение и увеличение прочностных  характеристик полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали  по отношению к прототипу.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали, включающем нагрев, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, последующее ускоренное охлаждение до температуры смотки в два этапа, после чего проводят двойной нагрев проката, при котором сначала нагревают до температуры Ас3+(20-40)°С с последующим охлаждением на воздухе, а затем нагревают до температуры Ac1±30°С с последующим охлаждением на воздухе, используют низколегированную сталь, которая содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,16-0,22
марганец 1,45-1,80
кремний 0,40-0,60
хром 0,10-0,30
никель 0,15-0,30
медь 0,10-0,30
ниобий 0,02-0,05
ванадий 0,03-0,07
титан 0,10-0,22
фосфор не более 0,020
сера не более 0,010
алюминий 0,01 – 0,06
кислород не более 0,003
железо и неизбежные примеси остальное.
Причем чистовую прокатку завершают при температуре 870-910°С, затем проводят первый этап ускоренного охлаждения со скоростью 10÷30°С/с до температуры 570÷650°С, а второй этап ускоренного охлаждения проводят со скоростью 6÷15°С/с до температуры смотки 450÷570°С.
Заявленный способ позволяет получить полосы толщиной 4-10 мм из низколегированной стали с  отличными прочностными  характеристиками, дающими возможность изготовления лонжеронов грузовых автомобилей, а также для производства высоконагруженных конструкций.
Использование соответствующих компонентов в заявленном составе стали обусловлено следующими факторами.
Углерод обеспечивает прочностные характеристики стали. Слишком низкое содержание углерода в составе стали, менее 0,16%, приводит к падению прочности стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,22% ухудшает пластичность стали.
Для повышения прочности стали и связывания примесной серы в сульфиды в состав введен марганец. При содержании марганца менее 1,45% снижается прочность стали, полученной заявленным способом. Повышение же содержания марганца сверх 1,8% ухудшает пластичность стали.
Кремний в составе стали способствует  раскислению и упрочнению стали, а также повышению ее упругих свойств. Содержание кремния в стали менее 0,40% ухудшает ее прочность. Увеличение содержания кремния более 0,60% в заявленном составе стали приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, а также способствует хрупкости и ломкости стали и соответственно ухудшает ее пластичность.
Хром, никель, медь добавлены в состав стали для  упрочнения твердого раствора стали, а также для повышения устойчивости переохлажденного аустенита. При содержании более 0,90% суммарного количества вышеуказанных компонентов в заявленном составе стали происходит снижение ее вязко-пластичных характеристик, что может привести к разрушению  деталей при получении их из стали в процессе изготовления, а также в процессе эксплуатации. При этом низкое содержание этих компонентов  (хрома менее 0,10%, никеля менее 0,15% и меди менее 0,1%) снижает прочность металлопроката ниже допустимого уровня.
Ниобий и ванадий способствуют упрочнению стали, по причине того, что образуют мелкодисперсные частицы (карбонитриды), которые способствуют измельчению зерна. Содержание ниобия и ванадия более 0,05%  и более 0,07% в заявленном составе стали приводит к снижению хладноломкости стали ниже допустимого уровня. При снижении содержания ниобия менее 0,02% и ванадия менее 0,03% снижается прочность металлопроката ниже допустимого уровня.
Титан является раскислителем стали и способствует удалению из нее азота, благодаря чему сталь приобретает более плотную структуру, однородность и жаропрочность. Добавление в состав стали титана, как  сильного карбидообразующего элемента позволяет устранить склонность стали к межкристаллитной коррозии. Вступая в реакцию с углеродом, он образует тугоплавкий карбид TiC, исключая уменьшение концентрации в сплаве хрома путем образования его карбидов. Однако при увеличении содержания титана более 0,22 % свяжет слишком много углерода в карбид TiC и это приведет к хрупкость стали. Оптимальным содержанием титана в заявленном способе является 0,10-0,22 %.
Было обнаружено, что суммарное содержание легирующих элементов Σ в стали Nb+V+Ti  влияет на возникновение трещин при получении конструкционного проката заявленным способом. Так при суммарном содержании в стали этих легирующих элементов Σ меньше 0,15% масс. и больше 0,34 % масс. было обнаружено образование торцевых трещин при вырубке деталей из полученного проката.
При содержании фосфора и серы    более  0,020% и 0,010% существенно  снижается пластичность стали, повышается красноломкость, что может привести к разрушению проката в процессе горячей прокатке и поломкам оборудования.
Алюминий добавляют в состав стали в качестве раскислителя, менее 0,01% алюминия снижает пластичность стали, что способствует быстрому старению стали. Увеличение содержания алюминия более 0,06% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.
При содержании кислорода более 0,003% повышается уровень загрязненности стали по строчкам хрупкоразрушенных оксидов и не обеспечивается требуемый уровень ударной вязкости.
В отношении параметров заявленного способа были выявлены определенные закономерности, которые заключались в следующем.
Завершение чистовой прокатки с температурой конца прокатки в диапазоне 870-910°С (Аr3°С- температура начала перекристаллизации феррита в аустенит в стали), с последующим ускоренным охлаждением до температуры смотки в два этапа: первый этап со скоростью 10÷30°С/с до температуры 570÷650°С, второй этап со скоростью 6÷15°С/с до температуры смотки 450÷570°С, обеспечивает получение хороших механических свойств полосы. Завершение чистовой прокатки ниже 870°С (температура конца прокатки) в двухфазной области, приводит к значительной разнозернистости структуры, что способствует  нестабильности механических свойств проката  в горячекатаном состоянии.
Повышение температуры завершения чистовой прокатки выше 910°С в заявленном способе не рекомендуется, так как при температуре выше указанного значения происходит понижение прочностных свойств стали.
Смотка ниже температуры 450°С приводит к образованию в прокате закалочных структур и как следствие к образованию торцевых трещин, что является неприемлемым при изготовлении лонжеронов грузовых автомобилей и высоконагруженных конструкций.
При температуре смотки выше 570°С одновременно с повышением пластичности стали происходит снижение ее прочности ниже допустимого уровня.
Если скорость на первом этапе охлаждения будет ниже 10°С/с, это  приведет к  увеличению структурной полосчатости проката и негативно скажется на ударной вязкости стали. Увеличение скорости на первом этапе охлаждения выше 30°С/с приведет к образованию торцевых трещин. Тот же самый эффект возникнет на втором этапе охлаждения, если скорость охлаждения будет выше 15°С/с, а при скорости охлаждения на втором этапе ниже 6°С/с произойдет разупрочнение проката ниже требуемого уровня.
Нагрев проката до температуры выше Ас3+40°С (где Ac3– это критическая точка конца растворения феррита в аустените) положительно влияет на увеличение размера отдельных зерен аустенита, в результате чего происходит образование разнозернистости и увеличивается разброс механических свойств, особенно ударной вязкости.
Нагрев проката до температуры, ниже, чем температура Ас3+20°С, значительно удлиняет время выдержки для образования структуры аустенита, что экономически нецелесообразно.
Повышение температуры второго нагрева выше Ac1+30°С (где Ac1– это критическая точка превращения перлит в аустенит) не обеспечивает получение сорбитообразного раздробленного перлита, так как при этом происходит полное растворение карбидов и образование гомогенного аустенита, распадающегося при последующем охлаждении с образованием пластинчатого перлита.
Понижение температуры второго нагрева ниже Ac1-30°С  приведет к тому, что фазовое превращение при нагреве будет проходить не до конца, и для стабилизации процесса потребуется более длительная выдержка, требующая больше энергозатрат.
Пример осуществления заявленного способа.
Полосу из стали, с заявленным составом компонентов прокатывали на стане горячей прокатки при температуре чистовой прокатки 900°С, ускоренно охлаждали до температуры смотки в два этапа: на первом этапе до температуры 570÷650°С со скоростью 10°С/с :
- первый вариант - до температуры охлаждения 570°С, со скоростью 10°С/с (табл.1);
- второй вариант - до температуры охлаждения 610°С, со скоростью 20°С/с (табл. 2);
- третий вариант  - до температуры охлаждения 650°С, со скоростью 30°С/с (табл. 3).
На втором этапе охлаждали  до температуры 450÷570°С со скоростью 6÷15°С/с:
- первый вариант - до температуры охлаждения 450°С, со скоростью 6°С/с;
- второй вариант - до температуры охлаждения 510°С, со скоростью 10°С/с;
- третий вариант - до температуры охлаждения 570°С, со скоростью 15°С/с .
При этом ускоренному охлаждению до температуры смотки были подвергнуты пять вариантов полос из стали, где в 1 варианте суммарное содержание легирующих элементов   Nb+V+Ti  в стали Σ=0,12, во 2 варианте Σ=0,15;  в 3 варианте Σ=0,26; в 4 варианте  Σ=0,34; в варианте 5 Σ=0,38 (Соответственно в таблице 1 указаны как варианты 1, 2, 3, 4, 5).
После ускоренного охлаждения полосы из стали дважды подвергали нормализации в проходной печи с роликовым подом в начале при температуре 890°С, затем при температуре 690°С.
2
2
2
Результаты испытаний с указанием полученных прочностных характеристик по сравнению с прототипом в зависимости от параметров способа приведены в таблице 1. Для сравнения взяты верхние численные значения прочностных  характеристик для прототипа - ϭт=550 МПа, ϭв= 650 МПа и ударной вязкостью KCU-40=170 Дж/смвзяты из таблицы 2, которые указаны в описании прототипа в разделе реализации и примеров. Результаты испытаний согласно табл.1 иллюстрируют улучшение и увеличение  прочностных характеристик полос толщиной 4-10 мм из низколегированной стали, полученных заявленным способом, а именно полосы обладают  следующими прочностными  характеристиками ϭт≥600МПа, ϭв≥690МПа, ударной вязкостью KCU-40 не менее 40 Дж/см(≥172 Дж/см).
Заявленный способ позволяет получить полосы толщиной 4-10 мм из низколегированной стали с оптимальными прочностными характеристиками, обеспечивающими отличную механическую обработку, что дает возможность использовать такой прокат в машиностроении, при операциях вырубки деталей.
Таблица 1
Механические свойства экспериментальных сталей в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов   Nb+V+Ti в составе стали  и от параметров охлаждения до температуры смотки в два этапа.
Суммарное содержание легирующих элементов   Nb+V+Ti  в стали (масс%)
Механические свойства проката по первому вариантуохлаждения до температуры смотки в два этапа
Механические свойства проката по второму вариантуохлаждения до температуры смотки в два этапа
Механические свойства проката по третьему вариантуохлаждения до температуры смотки в два этапа
σт, МПа
σв, МПа
KCU-40,  Дж/см<sup>2</sup>
Образование торцевых трещин при вырубке деталей из проката
σт, МПа
σв, МПа
KCU-40,  Дж/см<sup>2</sup>
Образование торцевых трещин при вырубке деталей из проката
σт, МПа
σв, МПа
KCU-40,  Дж/см<sup>2</sup>
Образование торцевых трещин при вырубке деталей из проката
Прототип
-
-
-
-
550
650
170
нет
550
650
170
нет
1
560
680
не менее 40
нет
580
690
154
да
600
650
160
да
2
620
700
не менее 40
нет
670
720
178
нет
620
760
178
нет
3
580
740
не менее 40
нет
640
690
174
нет
630
710
182
нет
4
610
720
не менее 40
нет
600
710
182
нет
610
690
172
нет
5
600
620
не менее 40
да
550
660
159
нет
600
650
169
да