СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОНСТРУКЦИОННОГО ПРОКАТА ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
METHOD OF MANUFACTURING CONSTRUCTION ROLLED PRODUCT FROM LOW-ALLOY STEEL

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, 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.
Известен способ производства листов из низколегированной стали (Патент РФ №2191833, МПК C21D 8/02, опубл. 27.10.2002 г.), включающий 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, при этом закалку листов производят с температурой 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 чего 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.
Недостатком описанного способа является низкая пластичность получаемого проката, что резко ограничивает область его применения, в ряде случаев применение такого металлопроката просто невозможно, так как будет приводить при изготовлении деталей к образованию трещин.
Наиболее близким к предложенному является способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий получение сляба, нагрев сляба, черновую и многопроходную чистовую прокатку до заданной толщины в регламентированном температурном диапазоне, охлаждение водой до температуры смотки, при котором сляб 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,
при этом многопроходную чистовую прокатку ведут в диапазоне температур от 960-1050°С до 820-890°С, при содержании углерода в стали 0,22-0,24% штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки 600-650°С, а при толщине более 5,0 мм - до температуры смотки 580-640°С, при содержании в стали углерода более 0,24 мас. % штрипсы толщиной 3,5-5,0 мм охлаждают водой до температуры смотки (Патент РФ №2341565, МПК C21D 8/02, С22С 38/20, опубл. 20.05.2008 г.).
Недостатком данного способа является полосчатая структура с плотными перлитными слоями, способствующая образованию торцевых трещин при производстве лонжеронов.
Задача предлагаемого изобретения - разработать технологию получения проката для изготовления из него деталей операцией вырубки без образования на них торцевых трещин и исключения дополнительных затрат на их доработку.
Поставленная задача решается тем, что в способе производства коррозионностойкого проката из низколегированной стали толщиной 4-10 мм, включающем нагрев, черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с регламентированной температурой конца прокатки, сталь 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,
3
1
2
деформацию завершают при температуре 870-940°C с последующим ускоренным охлаждением до температуры смотки в два этапа: первый этап со скоростью 15÷50°С/с до температуры 550÷650°С, второй этап со скоростью 6÷15°С/с до температуры 450÷550°С, после чего проводят двойной нагрев проката: сначала до температуры Ас+(20÷40)°C с последующим охлаждением на воздухе, затем до температуры Ас±30°C с последующим охлаждением на воздухе, при этом готовый прокат обладает следующими прочностными характеристиками σт≥490 МПа, σв≥570 МПа, ударной вязкостью KCU-40 не менее 40 Дж/см.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, чтобы получить равномерную мелкозернистую структуру с раздробленной сорбитообразной морфологией перлитных колоний по всему сечению, благоприятную для производства деталей.
Содержание углерода в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,16% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,22% ухудшает пластичность стали.
Марганец введен для повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 1,4% снижается прочность стали, что приводит к увеличению отбраковки. Повышение концентрации марганца сверх 1,65% ухудшает пластичность стали.
Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства. При содержании кремния менее 0,25% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,55% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.
Хром, никель, медь упрочняют твердый раствор, повышают устойчивость переохлажденного аустенита. При содержании более 0,40% каждого приводит к снижению вязко-пластичных характеристик, что может привести к разрушению деталей в процессе изготовления и эксплуатации. При снижении содержания хрома менее 0,10%, никеля менее 0,03% и меди менее 0,05% снижается прочность металлопроката ниже допустимого уровня.
Ниобий, ванадий образуют мелкодисперсные частицы (карбонитриды), которые измельчают зерно и упрочняют сталь. При содержании ниобия более 0,06% и ванадия более 0,16% приводит к хладноломкости стали ниже допустимого уровня. При снижении содержания ниобия менее 0,01% и ванадия менее 0,10% снижается прочность металлопроката ниже допустимого уровня.
Фосфор и сера являются вредными примесями, при их содержании более 0,020% и 0,006% соответственно существенно снижается пластичность металла, повышается красноломкость, что может привести к разрушению проката в процессе горячей прокатке и поломкам оборудования.
Алюминий введен в сталь как раскислитель. При содержании алюминия менее 0,01% снижается пластичность стали, сталь становится склонной к старению. 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.
Горячая прокатка с температурами конца прокатки 870-940°C с последующим ускоренным охлаждением до температуры смотки в два этапа: первый этап со скоростью 15÷50°С/с до температуры 550÷650°C, второй этап со скоростью 6÷15°С/с до температуры 450÷550°С обеспечивает получение однородных механических свойств по длине полосы. Окончание завершения деформации ниже 870°С, в двухфазной области, приводит к значительной разнозернистости структуры, что влечет за собой нестабильность механических свойств в горячекатаном состоянии. Повышение температуры конца горячей прокатки свыше 940°С приводит к укрупнению зерна и понижению прочностных свойств горячекатаного проката. Смотка полос ниже 450°С приводит к образованию в прокате закалочных структур и как следствие этому к образованию торцевых трещин при изготовлении деталей. При температуре смотки выше 650°С пластичность стали повышается, однако это приводит к снижению ее прочности ниже допустимого уровня. При скорости охлаждения на первом этапе ниже 15°С/с будет увеличиваться балл структурной полосчатости в металлопрокате, негативно сказывающийся на значения ударной вязкости ниже требуемого уровня. При скорости охлаждения на первом этапе выше 50°С/с и выше 15°С/с на втором этапе приводит к образованию закалочных структур и образованию торцевых трещин. При скорости охлаждения на втором этапе ниже 6°С/с приводит к разупрочнению металлопроката ниже требуемого уровня.
3
Нагрев проката до температуры выше Ас+40°С приводит к увеличению размера отдельных зерен аустенита, рост которых не заторможен избыточными карбидными частицами. Это предопределяет образование разнозернистости и увеличивает разброс механических свойств, особенно ударной вязкости.
3
Нагрев проката до температуры, ниже, чем температура Ас+20°С, значительно удлиняет время выдержки для образования структуры аустенита, что экономически нецелесообразно.
1
Повышение температуры второго нагрева выше (Ас+30)°С 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.
1
Понижение температуры второго нагрева ниже (Ас-30)°С приведет к тому, что фазовое превращение при нагреве будет проходить не до конца, и для стабилизации процесса потребуется более длительная выдержка, требующая больших энергозатрат.
Полосу из стали марки 20ГЮТ с химическим составом (таблица 1) прокатывали на стане горячей прокатки при температуре деформации 890°С, ускоренно охлаждали до температуры смотки в два этапа: на первом этапе до температуры 620°С со скоростью 35°С/с, на втором этапе до температуры 510°С со скоростью 10°С/с, далее дважды подвергали нормализации в проходной печи с роликовым подом в начале при температуре 890°С, затем при температуре 690°C.
2
В таблице 2 приведены качественные параметры горячекатаной полосы, произведенной по предлагаемому способу, а также представлены данные по горячекатаной полосе, произведенной по известному способу. Результаты испытаний показали, что в прокате, полученному по предложенному способу (варианты №1, 2, 5, 6 таблица 2), достигается сочетание наиболее высоких прочностных и пластических свойств. При этом готовый прокат обладает следующими прочностными характеристиками σт≥490 МПа, σв≥570 МПа, ударной вязкостью KCU-40 не менее 40 Дж/см.
В случаях отсутствия двойного нагрева (варианты №3 и №4), а также при использовании способа-прототипа не обеспечивается заданный комплекс механических свойств.
Предлагаемый способ позволяет при значительно меньших затратах времени, а значит, и энергоносителей получить полосу с микроструктурой, более благоприятной для последующей операции вырубки без образования на них торцевых трещин. Прокат может использоваться в машиностроении, обладает хорошими технологическими характеристиками. При операции вырубки деталей исключено образование торцевых трещин, что в свою очередь не приводит к дополнительным затратам на доработку деталей.