Высокопрочный стальной прокат и способ его производства
HIGH-STRENGTH ROLLED STEEL AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к области производства высокопрочного стального проката, применяемого для изготовления различного рода изделий и может быть использовано в качестве как конструкционных материалов, так и при изготовлении элементов кузовов автомобилей.
Известна сталь, содержащая, мас.%: 0,46-0,54 углерода, 0,17-0,37 кремния, ≤0,5 марганца, 2,8-3,2 хрома, 1,5-2,0 никеля, 1,7-2,2 молибдена, 0,25-0,36 ванадия, 0,01-0,03 алюминия, ≤0,012 серы, ≤0,012 фосфора, железо остальное [Патент RU 2236482, C22C38/46, С22С38/60, 2004].
Недостатком данной стали является ее высокая стоимость из-за высокого суммарного содержания хрома, никеля, молибдена и ванадия.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,28-0,40, кремний 0,80-1,40, марганец 0,50-0,80, хром 0,10-0,70, никель 1,50-2,20, молибден 0,30-0,80, алюминий 0,005-0,05, медь не более 0,30, сера не более 0,012, фосфор не более 0,015, железо – остальное, при этом соотношение молибден/углерод составляет 0,8-2,0 [Патент RU 2520247, МПК C22C38/44, С21D9/42, 2014].
Недостатком данного изобретения является отсутствие контроля содержания неметаллических включений в стали, вследствие чего снижаются ее механические свойства.
Технический результат изобретения – повышение прочности, ударной вязкости и износостойкости высокопрочной стали.
Указанный технический результат достигается тем, что высокопрочный стальной прокат, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, медь, молибден, алюминий, согласно изобретению содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Углерод 0,2 – 0,65
Кремний 0,1 – 1,7
Марганец 0,15 – 0,9
Фосфор не более 0,02
Сера не более 0,015
Хром 0,1 – 2,0
Никель 0,7 – 2,2
Медь не более 0,5
Молибден 0,1 – 0,9
Алюминий 0,005 – 0,15
при этом имеет толщину от 1,5 до 50 мм, твердость 160 – 400 HB, структуру со средним размером зерна не более 8 балла и размером неметаллических включений не более 4 балла, а также глубину зоны общего обезуглероживания на каждую из сторон не более 3 %.
Прокат дополнительно содержит ванадий в количестве в количестве не более  0,4 мас.%, ниобий в количестве не более 0,4 мас.%, кальций в количестве не более 0,005 мас.%, титан в количестве 0,001 – 0,3 мас.%, РЗМ в количестве не более 0,005 мас.%, азот в количестве не более 0,03 мас.%, бор в количестве не более 0,02 мас. %, вольфрам в количестве не более 0,3 мас. %, кобальт в количестве до 0,3 мас.%., содержит сурьму, олово и мышьяк с суммарным количеством не более 0,02 мас.%.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Углерод в заявляемой стали определяет прочностные свойства. Содержание углерода ниже 0,20% не обеспечивает достаточной твердости мартенсита и, следовательно, прочности, а при содержании выше 0,65% значительно упрочняет сталь и снижает хладостойкость, а также свариваемость и обрабатываемость металла резанием.
Марганец улучшает прокаливаемость стали, способствует получению остаточного аустенита, повышает прочностные характеристики стали, а также уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Содержание марганца менее 0,15% снижает прокаливаемость, что негативно отразится на свойствах материала. При увеличении концентрации марганца более 0,80% понижается уровень ударной вязкости, увеличивается хрупкость, ухудшается свариваемость и обрабатываемость металла резанием.
Кремний используют в сталях чаще всего для раскисления и дополнительного упрочнения стали. Его минимальное содержание должно быть не менее 0,1%, однако он может оказывать неблагоприятное влияние на уровень ударной вязкости, поэтому его максимальное содержание ограничено 1,7%.
Алюминий применяется для раскисления жидкой стали, он способствует образованию мелкозернистой структуры и повышает однородность по химическому составу, уменьшает старение и повышает ударную вязкость при низких температурах, а также повышает жаростойкость и окалиностойкость. Содержание алюминия более 0,15% приводит к перерасходу алюминия на легирование и увеличению себестоимости, выплавляемой стали. При содержании растворенного алюминия менее 0,005% его концентрация оказывается недостаточной для внесения вклада в характеристики стали и механические свойства горячекатаных листов ухудшаются.
Никель способствует повышению пластичности и вязкости стали. Содержание никеля 0,7 - 2,2% обеспечивает требуемую прокаливаемость для получения высокой прочности и твердости по всему сечению изделий, выполненных из указанной стали.
Хром повышает прочность, прокаливаемость и стойкость на истирание, но снижает вязкость стали. Содержание хрома 0,1 - 2,0% обеспечивает требуемое сочетание прочностных и вязких свойств проката.
Молибден повышает прочностные характеристики стали, увеличивает твердость, красностойкость, антикоррозионные свойства. Содержание молибдена в стали более       0,1% делает ее теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках при высоких температурах. При содержании молибдена более 0,9% проиходит затруднение сварки изделий из заявленной стали.
Медь в количестве не более 0,5% повышает прочностные характеристики проката. Повышение содержания меди выше указанного значения не ведет к повышению механических свойств стали и экономически нецелесообразно.
Ниобий и ванадий поышают твердость и износостойкость стали. При содержании ниобия и ванадия более 0,40 % снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
Кальций очищает межзеренные границы от нежелательных примесей, благодаря чему достигается одновременное повышение ударной вязкости при отрицательных температурах и коррозионной стойкости стали. При содержании кальция более 0,005 % возрастает количество неметаллических включений, что отрицательно сказывается на механических свойствах стали.
Титан в количестве 0,001-0,03% позволяет сдерживать рост зерен при нагреве металла под прокатку, что оказывает положительное воздействие на ударную вязкость.
Содержание бора более 0,02 %, суммарное содержание примесей олова, сурьмы и мышьяка более 0,02 %, а также содержание серы более 0,015%, фосфора более 0,020 %, азота более 0,03% ведет к отпускной хрупкости и снижению хладостойкости стали.
Дополнительное введение в сталь редкоземельных металлов (РЗМ) приводит к модифицированию структуры стали и к улучшению ее пластических характеристик.  Повышение содержания РЗМ в стали выше 0,005% является экономически нецелесообразным.
Неметаллические включения ухудшают механические и другие (магнитную проницаемость, электропроводность и т. д.) свойства стали, так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения. Содержание не металлических включений не более 4 балла (по среднему), позволяет исключить негативное воздействие неметаллических включений на свойства стали.
Обезуглероживание стали заключается в выгорании углерода из ее поверхностных слоев за счет взаимодействия его с кислородом и водородом атмосферы. Обезуглероживание приводит к резкому снижению прочности поверхностных слоев металла. Глубина зоны общего обезуглероживания на каждую из сторон не более 3 % не оказывает значительного воздействия на свойства стали, но обязательно контролируется в процессе производства.
Величина зерна оказывает значительное влияние на вязкость стали. Чем меньше зерно, тем выше значение ударной вязкости. Размер зерна не более 8 балла позволяет обеспечить требуемые свойства стали.
Легирование вольфрамом и кобальтом дополнительно упрочняет структуру стали и обеспечивает стабильность свойств при повышенных температурах (порядка 500°C) и длительной выдержке. Введение вольфрама и кобальта в количествах свыше 0,3% экономически нецелесообразно.
Производство заявленного высокопрочного стального проката осуществляется следующим образом.
3
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ при котором заготовки нагревают до температуры горячей деформации, осуществляют прокатку с регламентированным обжатием и закалку с отпуском. Закалку проводят в прессе с охлаждением водой под давлением 150-500 кг/см2 и при ее расходе 0,2 – 0,5 м/час [Патент RU 2520247, МПК C22C38/44, С21D9/42, 2014].
Недостатком данного способа является то, что в нем не учитываются параметры прокатки (температура начала и конца прокатки), которые влияют на механические свойства стали.
Технический результат второго объекта изобретения – разработка технологии получения высокопрочного, износостойкого стального проката, обладающего высокой твердостью.
Указанный технический результат второго объекта изобретения достигается тем, что в способе производства высокопрочного стального проката, включающем выплавку стали, ее разливку в слябы, их нагрев, прокатку и при необходимости термообработку, согласно изобретения прокатку осуществляют с суммарным обжатием не менее 80%, при этом температура начала прокатки составляет 980 – 1100ºС, а температура конца прокатки составляет 880 – 950ºС.
После прокатки осуществляют смотку проката в диапазоне температур 650 – 750 ºС.
После смотки осуществляют охлаждение рулонов со скоростью не более 5 ºС/мин.
Сущность второго объекта изобретения заключается в следующем.
При прокатке с суммарным обжатием менее 80% не достигается оптимальная степень измельчения зерен микроструктуры и механическая проработка стали на всю толщину листа.
Экспериментально установлено, что при температуре начала прокатки менее 980°С металл имеет слишком высокое сопротивление деформации, что не позволяет использовать обжатия требуемой величины за один проход, т.к. усилия прокатки могут превышать допустимую для данного стана величину.
При температуре начала прокатки более 1100°С не достигается оптимальная степень измельчения зерен микроструктуры стали.
При температуре конца прокатки более 950°С в стали происходит неравномерный рост аустенитных зерен, что приводит к неравномерности микроструктуры в готовом прокате, снижению прочности и стабильности механических свойств.
Снижение температуры конца прокатки менее 880°С ухудшает пластические свойства проката и увеличивает нагрузки на оборудование при прокатке.
Регламентация температуры смотки обусловлена эксперементально найденным температурным диапазоном, выше которого происходит интенсивный рост зерен структуры стали, а при более низких, чем в найденном диапазоне, появляется вероятность образования дефектов стали.
Охлаждение рулонов со скоростью не более 5 ºС/мин необходимо для устранения температурной неравномерности между витками внешней и средней группы и как следствие для получения одинаковых механических свойств по всей длине проката.
Пример реализации.
В таблице 1 приведены химические составы сталей с различным содержанием элементов. В таблице 2 приведены контролируемые параметры, а в таблице 3 - механические свойства проката.
Как следует из таблицы 3, при соблюдении заявляемых параметров (примеры 1 – 6), стали, а, следовательно, и изделия, выполненные из них, обладают высокой прочностью, относительным удлинением, ударной вязкостью, твердостью.
Таким образом, предложенная износостойкая сталь характеризуется расширенным диапазоном потребительских свойств. При сохранении износостойкости она обладает высокой прочностью, пластичностью, стойкостью к высоким ударным нагрузкам.
Таблица 1
Химические составы высокопрочного стального проката
Пример
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Al
Mo
N
V
Nb
Ti
W
Sb+Sn+ As
Co
B
Ca
РЗМ
1
0,31
1,06
0,62
0,009
0,008
0,56
1,69
0,22
0,025
0,30
0,008
0,002
0,002
-
0,1
0,011
-
0,0004
-
-
2
0,38
1,33
0,49
0,007
0,006
1,06
1,25
0,08
0,055
0,35
0,007
-
-
0,007
-
0,009
0,002
-
-
-
3
0,45
0,31
0,43
0,010
0,009
1,55
1,05
0,18
0,013
0,49
0,007
0,086
0,055
0,003
-
0,008
0,001
0,0007
-
0,0002
4
0,30
0,43
1,20
0,011
0,010
1,0
1,60
0,12
0,008
0,73
0,009
-
-
0,18
0,015
0,009
-
0,002
0,001
-
5
0,40
0,61
0,72
0,010
0,009
0,33
1,12
0,32
0,012
0,54
0,009
0,23
0,16
0,11
0,002
0,009
0,10
0,0003
0,006
0,004
6
0,54
1,12
0,42
0,009
0,008
0,64
0,98
0,08
0,014
0,18
0,007
0,27
0,011
0,007
-
0,008
0,016
-
0,002
0,0003
7
0,42
1,32
0,43
0,013
0,010
1,01
1,60
0,17
0,022
0,31
0,008
0,002
0,002
-
0,1
0,015
0,05
0,005
-
0,0001
8
0,27
0,41
1,21
0,016
0,011
0,39
1,12
0,13
0,15
0,32
0,009
-
-
0,005
-
0,021
0,12
0,01
-
-
9
0,20
0,60
0,72
0,012
0,010
0,47
0,98
0,33
0,04
0,53
0,010
0,086
0,055
0,003
-
0,014
0,002
0,0002
0,002
-
Таблица 2
Контролируемые параметры
Пример
Суммарное обжатие, %
Т<sub>н.п.</sub>, ºС
Т<sub>к.п.</sub>, ºС
Т<sub>см, </sub>ºС
Скорость охлаждения рулонов, ºС/мин
Размер зерна,балл
Средний размер неметаллических включений, балл
1
82
1010
920
720
4
6
2
2
83
990
880
670
4
5
3
3
83
1050
940
740
3
4
2
4
85
1040
935
738
3
3
2
5
84
1000
890
690
4
4
2
6
86
1060
950
750
2
3
2
7
79
1110
960
760
6
7
4
8
80
1030
870
660
5
6
5
9
77
1070
945
740
3
8
4
Таблица 3
Результаты экспериментов
Пример
Предел прочности, МПа
Относительное удлинение,%
Ударная вязкость, KCU, кДж/м<sup>2</sup>
Твердость, НВ
1
1280
14
120
371
2
1370
13
115
392
3
1480
12
112
398
4
1290
14
125
375
5
1295
13
116
396
6
1490
12
110
400
7
1295
12
104
360
8
1350
11
109
365
9
1280
12
105
355