Оценка влияния технологических параметров производства высокопрочных микролегированных двухфазных сталей в линии непрерывного действия на вн-эффект

УДК 669.771

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ ДВУХФАЗНЫХ СТАЛЕЙ В ЛИНИИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

НА ВН-ЭФФЕКТ

Голубчик Эдуард Михайлович, д-р техн. наук, доцент

В работе представлены результаты статистических исследований влияния режимов промышленного производства высокопрочных двухфазных сталей на формирование конечных потребительских свойств металлопроката. Проведена оценка влияния температурного режима обработки полосы, дрессировки и химического состава на изменение ВН - эффекта готового проката из исследуемых марок стали.

Ключевые слова: высокопрочные двухфазные автомобильные стали, импортозамещение, термообработка, дрессировка, механические свойства, непрерывный отжиг, BH - эффект

Предприятия автомобилестроения являются одними из основных потребителей инновационной продукции производителей металлопроката. Высокий спрос на стали нового поколения обусловлен их технологичностью и широким потенциалом использования при проектировке кузова. Одним из основных факторов, определяющих интерес к автомобильным сталям, является ее предсказуемое поведение в процессе переработки [1].

Одним из таких классов сталей является двухфазная сталь DP (Dual Phase steel). Микроструктура DP - стали состоит из двух основных фаз: ферритной мягкой и пластичной, которая определяет относительно невысокий предел текучести, и мартенситной, твердой, придающей этой стали необходимую прочность. Двухфазные стали находят наибольшее применение (до 50-60% массы) в формировании кузова типичного автомобиля (рис. 1).

К числу свойств холоднокатаных листов этого класса относится эффект их упрочнения во время рядовой технологической операции - сушке лакокрасочного покрытия панели кузова при температуре ~ 150°С (Bake Hardening Effect - BH - эффект). Возрастание предела текучести в результате процесса деформационного старения при температурах сушки детали автомобиля (ВН - эффект) составляет от 35 до 70 МПа. Таким образом, DP - сталь проявляет улучшение показателей механических свойств во время ее применения. Кроме того ВН - эффект повышает сопротивляемость остаточным вмятинам, что несомненно положительно сказывается на ее востребованности [3].

Рост числа сборочных предприятий иностранных автомобильных компаний на территории Российской Федерации диктует необходимость разработки и применения новых технологий для освоения и производства передовых марок стали. Актуальным является вопрос получения необходимых механических свойств проката из высокопрочных сталей применяемых в автомобилестроении, с целью импортозамещения [4].

С точки зрения изучения процесса формирования механических свойств двухфазных сталей данных марок, при производстве металлопроката в линии непрерывного отжига, представляет интерес оценивание влияния различных факторов, таких как: химический состав, режим термообработки, параметры дрессировки полосы [7-8]. Совокупность перечисленных технологических параметров в значительной степени оказывает влияние на вариацию и изменение сложного комплекса механических свойств двухфазных сталей [5].

Рассмотрение вопроса о степени влияния различных параметров обработки полосы поможет оптимизировать технологию производства с целью достижения необходимых прочностных и пластических свойств двухфаз-

Попере^ая детаъ

ДС li'FL. | DP-Vr

Рисунок 1 - Схема кузова автомобиля [2]

ных микролегированных сталей, а также может способствовать созданию моделей прогнозирования свойств готовой продукции [6].

С целью разработки рекомендаций по корректировке режимов промышленного производства полос в лини агрегата непрерывного отжига необходимо определить влияние параметров обработки и химического состава высокопрочных двухфазных микролегированных сталей марок НСТ780Х и НСТ980Х на механические свойства получаемого металлопроката.

Теория, материалы и методы исследования, технические и технологические разработки

В рамках настоящей работы были проведены исследования изменчивости механических свойств холоднокатаных полос из высокопрочных двухфазных сталей марок НСТ780Х и НСТ980Х в процессе их промышленного производства на агрегате непрерывного отжига в условиях ОАО «ММК».

Требования предъявляемые европейскими нормативными документами к механическим свойствам и химическому составу двухфазных сталей марок НСТ780Х и НСТ980Х представлены в таблице 1, 2.

Таблица 1 - Требования нормативных документов, предъявляемые к меха_ническим свойствам высокопрочных двухфазных сталей [7-8'_

БК 10338:2015 для марки Предел текучести, МПа Временное сопротивление разрыву, МПа Относительное удлинение, % вн, МПа

НСТ780Х 440-550 >780 >14 >30

НСТ980Х 590-740 >980 >10 >30

Таблица 2 - Требования нормативных документов, предъявляемые к хи-_мическому составу высокопрочных двухфазных сталей [7-8]_

Марка стали Массовая доля элементов, %

С Мп Р Б А1 Сг+Мо №+Т1 V в

БК 10338:2015 для НСТ780Х <0,18 <0,80 <2,50 <0,08 <0,015 0,0152,000 <1,40 <0,15 <0,20 <0,005

БК 10338:2015 для НСТ980Х <0,20 <1,00 <2,90 <0,08 <0,015 0,0152,000 <1,40 <0,15 <0,20 <0,005

В процессе исследования влияния температурного режима обработки полосы, дрессировки и химического состава на формирование свойств упомянутых выше сталей, были проанализированы результаты 153 испытаний готового металлопроката из 6 плавок.

Деформация

Рисунок 2 - Пример определения BH - эффекта

1 - 2% предварительная пластическая деформация; 2 - испытание на растяжение после термообработки этого же образца; Rp2,r - напряжение, соответствующее 2 % предварительной пластической деформации по замерам на образце; ReL,t - нижний предел текучести, измеренный на образце, который был подвергнут 2% предварительной деформации с последующей термообработкой; Rpo,2,t - 0,2 % условный предел текуче -сти, измеренный на образце, который был подвергнут 2% предварительной деформации с последующей термообработкой; BH2 - показатель термоупрочнения

В ходе испытания определялся показатель, обуславливающий повышение предела текучести образца, подвергнутого 2 % предварительной пластической деформации и последующей нормированной термической обработке. Во время предварительной деформации образца скорость испытания поддерживалась постоянной до момента достижения 2 ± 0,05 % пластической деформации. Все испытания на растяжение, проведенные с целью определения характеристик стали, осуществлялись с одинаковой фактической скоростью. После этого образец подвергался термообработке. За семь минут образец нагревался до 170 °C. Далее в течении 20 ± 0,5 минут образец выдерживался при температуре 170 ± 2 °C. После выдержки образец подвергался воздушному охлаждению при комнатной температуре, то есть 23 ± 5 °C.

Величина BH - эффекта определялась как разница между пределом текучести, Rp2,r, образца, подвергнутого 2 % пластической деформации, и нижним пределом текучести, ReL,t, или условным пределом текучести, Rp0,2,t, этого же образца после дополнительной термообработки. При опре-

делении Я^д или Яродд после термообработки использовалась площадь поперечного сечения образца после предварительной пластической деформации

Проведен набор массива экспериментальных данных, отражающего изменение режимов обработки и вариацию полученных показателей термоупрочнения. Экспериментальные исследования заключались в регистрации и обработке данных программ учета параметров технологического процесса при производстве металлопроката. Пробы для испытаний отбирались от передних и задних концов рулонов, произведенных в линии агрегата непрерывного отжига. Усредненный химический состав стали по ковшевой пробе представлен в таблице 3. Усредненные по плавке механические свойства полученных образцов представлены в таблице 4. Вариации величины ВН - эффекта готовой продукции представлены на рисунке 5.

Таблица 3 - Усредненный химический состав плавок стали по ковшевой

пробе исследованных образцов марок НСТ780Х и НСТ980Х

№ Массовая доля элементов, %

С & Мп Б Р Сг А1 Мо № V и В

1 0,10 0,08 2,00 0,007 0,008 0,48 0,052 0,112 0,021 0,004 0,002 0,0004

2 0,12 0,29 1,54 0,002 0,017 0,65 0,005 0,052 0,236 0,004 0,003 0,0004

3 0,15 0,17 2,04 0,005 0,011 0,48 0,043 0,209 0,023 0,004 0,002 0,0004

4 0,11 0,09 1,80 0,011 0,009 0,24 0,051 0,069 0,008 0,004 0,002 0,0003

5 0,09 0,04 1,81 0,011 0,010 0,35 0,040 0,083 0,017 0,005 0,002 0,0004

6 0,09 0,04 1,81 0,008 0,010 0,34 0,044 0,094 0,016 0,003 0,002 0,0004

Далее связь между технологическими параметрами производства в линии непрерывного отжига и величиной ВН - эффекта была оценена методом корреляционного анализа.

Поле распределения температур, зарегистрированных в ходе набора данных, изображено на рисунке 3. На рисунке 4 представлены зафиксированные результаты изменчивости энергосиловых параметров дрессировки металлопроката из двухфазных микролегированных марок стали НСТ780Х и НСТ980Х. Результаты корреляционного анализа представлены в таблицах 5-7.

1000

800

и

600

о,

Г

я,

и

§ 400

<и Н

200

Выде ржка т—НД 1 | -О- -Минимальные зарегистрированные значешы —— Максимальные зарегистрированные значешы

✓ >-9\ __— \ >

Охл аждение \ \ \\ А^ г ч

/\ Л П—1 ( * Ь— С >- -О - не 'ч _ \ 3 1 \ /

Пр \ гдварительнь ш нагрев / Перестарнв ание \ \ \  о

Номер пирометра

Рисунок 3 - График поля распределения температур, зарегистрированных

в ходе исследования

1 - после секции предварительного нагрева; 2 - после секции основного нагрева; 3 -после первой секции выдержки; 4 - после второй секции выдержки; 5 - после секции медленного охлаждения; 6 - после секции ускоренного охлаждения; 7 - после первой секции перестаривания; 8 - после второй секции перестаривания; 9 - после третьей секции перестаривания; 10 - после секции окончательного охлаждения

Рисунок 4 - Изменение среднего усилия прокатки при дрессировке сталей НСТ780Х и НСТ980Х

Таблица 4 - Усредненные результаты испытаний механических свойств _образцов, полученных в процессе производства_

Усредненные механические свойства

Марка стали № плавки Предел текучести, МПа Временное сопротивление разрыву, МПа Относительное удлинение, % ВН, МПа

1 629 974 11,6 47

НСТ980Х 2 504 825 16,8 32

3 851 1170 8,0 102

4 489 740 15,3 44

НСТ780Х 5 502 782 15,2 42

6 526 787 15,1 44

50

45

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Величина ВН-эффекта, МПа Рисунок 5 - Вариации ВН - эффекта готового металлопроката

Таблица 5 - Значения коэффициентов корреляции величины ВН - эффекта _и химического состава стали марок НСТ780Х и НСТ980Х_

Элемент Коэффициент корреляции Коэффициент Стью-дента Табличное значение коэффициента Стью-дента

С 0,222 2,858 1,976

0,037 0,465 1,976

Мп 0,415 5,736 1,976

Б -0,219 2,819 1,976

Р -0,257 3,343 1,976

Сг 0,186 2,380 1,976

А1 0,273 3,571 1,976

Мо 0,476 6,812 1,976

№ -0,134 1,705 1,976

V -0,180 2,306 1,976

Т1 -0,162 2,062 1,976

В 0,077 0,969 1,976

Сг+Мо 0,179 2,287 1,976

Т1+№ -0,034 0,424 1,976

Таблица 6 - Значения коэффициентов корреляции величины ВН - эффекта и показаний пирометров при термообработке стали марок НСТ780Х и

НСТ980Х

Номер пирометра Коэффициент корреляции Коэффициент Стью-дента Табличное значение коэффициента Стью-дента

1 0,235 2,967 1,976

2 0,132 1,638 1,976

3 0,131 1,618 1,976

4 0,063 0,772 1,976

5 0,070 0,857 1,976

6 -0,123 1,518 1,976

7 0,001 0,007 1,976

8 0,006 0,079 1,976

9 0,119 1,479 1,976

10 -0,006 0,072 1,976

Таблица 7 - Значения коэффициентов корреляции величины ВН - эффекта

и параметров дрессировки стали марок НСТ Г780Х и НСТ980Х

Параметр Коэффициент корреляции Коэффициент Стьюдента Табличное значение коэффициента Стьюдента

Среднее усилие прокатки 0,344 4,498 1,976

Относительное обжатие -0,260 3,311 1,976

Таблица 8 - Показатели множественной корреляции величины ВН - эффекта и химического состава, технологических параметров производства

стали марок НСТ 780Х и НСТ980Х

Показатель Химический состав Параметры дрессировки Температура полосы

Я 0,488 0,397 0,324

Бр 3,221 13,974 1,659

а 0,950 0,950 0,950

Б 1,761 3,057 1,898

Б 23,848 15,794 10,529

Значимость коэффициентов Стьюдента проверялась путем сравнения расчетных значений с табличной величиной. Исходя из полученной информации, был сделан вывод о статистической значимости влияния техно-

логических параметров и химического состава на ВН - эффект, наблюдаемый в готовом металлопрокате произведенном в линии непрерывного отжига.

При оценке степени влияния технологических параметров и химического состава на ВН - эффект сравнивались полученные в результате корреляционного анализа коэффициенты Стьюдента.

Анализ результатов проведенных исследований позволил выявить следующее. С доверительной вероятностью 95% статистически значимыми являются коэффициенты корреляции между содержанием С, Мп, Б, Р, Сг, А1, Мо, V, Т1, Сг+Мо, средним усилием прокатки, относительным обжатием, температурой полосы после секции предварительного нагрева и величиной ВН - эффекта.

Коэффициенты корреляции между содержанием МЬ, В, Т1+МЬ, температурой полосы в прочих секциях кроме предварительного нагрева и величиной ВН - эффекта с доверительной вероятностью 95% не являются статистически значимыми.

Наибольшее влияние на ВН - эффект рассмотренных двухфазных сталей, в соответствии с полученными результатами оказывает содержание Мо, Мп, температура полосы после секции предварительного нагрева и среднее усилие прокатки.

С доверительной вероятностью а = 95% коэффициенты множественной корреляции химического состава сталей, параметров дрессировки полосы в линии непрерывного отжига и величины ВН - эффекта готового металлопроката приведенные в таблице 8 являются статистически значимыми, так как расчетное число Фишера Бр больше табличного Б. В то время как коэффициенты множественной корреляции режима термообработки в промышленной печи отжига и перестаривания не являются статистически значимыми. Это означает, что изменение величины ВН - эффекта рассмотренных двухфазных сталей при производстве в линии непрерывного отжига обусловлено химическим составом и параметрами дрессировки, но не режимом термообработки.

Коэффициенты множественной детерминации Б приведенные в таблице 8 свидетельствуют о том, что для рассмотренных условий производства проката ВН - эффект на 23,8% обусловлен химическим составом, на 15,8% параметрами дрессировки и на 10,5% обусловлен режимом термообработки.

Выводы

Данная работа позволяет сформулировать основные характерные особенности формирования эффекта термоупрочнения и определить характер изменчивости свойств исследуемых марок стали в условиях действующего производства.

Список литературы

1. Дубровский Б. А.. Шиляев П. В., Ласьков С. А., Голубчик Э.М., Горбунов А. В., Лукьянов С. А. Освоение технологий производства проката в новом комплексе холодной прокатки // Сталь. -2012. №2. С.63-65.

2. Использование современных высокопрочных сталей с покрытием в автомобилестроении / Р.Боде, М. Мейер, Т.-В. Шауман и др. // «Черные металлы».- 2005.- янв.- С. 18-24.

3. Автомобильная сталь и тонкий лист. М. А. Беняковский, В. А. Масленников // Ч. Издательский дом «Череповец», 2007. С. 454-461.

4. Федонин О. В., Унру С. Я., Немкин М. В., Даниленко Д. Н., Кандауров Е. Л. Перспективы потребления холоднокатаного листа на мировом и российском рынках до 2020 г. // Производство проката. - 2011. - №3. С. 29-36.

5. Голубчик Э. М. Адаптивное управление качеством металлопродукции // Вестник МГТУ им Г.И. Носова, 2014, №1. С. 63-69.

6. Голубчик Э. М. Современные концепции адаптивного управления качеством металлопродукции // Качество в обработке материалов. - 2015. - №1(3). С. 68-75.

7. Голубчик Э. М., Тарасов П. С. Оценка влияния химического состава на механические свойства металлопроката из высокопрочных двухфазных микролегированных сталей // Обработка сплошных и слоистых материалов. Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. М.В. Чукина Магнитогорск: Изд-во Магнитогорского гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. №2 (Вып.45). С. 51-57.

8. Голубчик Э. М., Тарасов П. С. Исследование влияния параметров дрессировки на механические свойства металлопроката из высокопрочных двухфазных микролегированных сталей / Качество в обработке материалов. Магнитогорск, Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. №2 (6). С. 27-33.

Golubchik EduardMikhailovich, Doc. of Tech.Sci., associate professor

Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia Tarasov Pavel Sergeevich, graduate student

Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia Tarasova Kristina Andreevna, science student

Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia Lukjanchikov Dmitriy Urievich

JSC Magnitogorsk Iron & Steel Works, Magnitogorsk, Russia

ASSESSMENT OF THE INFLUENCE OF PROCESSING PARAMETERS ON BH-EFFECT DURING PRODUCING HIGH-STRENGTH LOW ALLOY DUAL PHASE STEELS IN CONTINUOUS ANNEALING LINE

Abstract. This article presents statistical research results of influence of process parameters on final mechanical properties, during producing high strength low alloy dual phase steels in continuous annealing line. Assessment of influence of heat treatment, skin pass rolling and chemical composition of steels on BH-effect made.

Keywords: high-strength dual phase steels for automotive application, import substitution, heat treatment, temper rolling, mechanical properties, continuous annealing, BH-effect.