Введение к работе
Актуальность проблемы. Возрастающие требования к повышению безопасности и снижению массы автомобиля диктуют необходимость повышения прочности автолистовых сталей при одновременном обеспечении высоких показателей пластичности. В настоящее время наблюдается рост производства и потребления высокопрочных сталей с пределом текучести 260-500 Н/мм2 и относительным удлинением более 22%, применяемых в энергопоглощающих элементах конструкции автомобиля.
Отсутствие технологий производства ряда высокопрочных низколегированных (микролегированных) автолистовых сталей в России вынуждает автопроизводителей импортировать значительную часть металлопроката, применяемого при производстве автомобиля. При этом поставляемый прокат отличается нестабильностью прочностных характеристик (большой разницей между их максимальными и минимальными значениями в пределах одного класса прочности), а также низкой пластичностью.
Поэтому актуально создание технологий и освоение производства высокопрочных автолистовых сталей, превосходящих зарубежные аналоги, в частности, по более высоким характеристикам пластичности и по стабильности прочностных свойств.
Цель настоящей работы - установление закономерностей формирования структуры и свойств холоднокатаного проката из высокопрочных микролегированных сталей с пределом текучести 260-500 Н/мм2, подвергаемого термической обработке в агрегатах непрерывного действия, разработка технологии и освоение производства проката со стабильными прочностными характеристиками и повышенными значениями относительного удлинения, по сравнению с требованиями, предъявляемыми EN 10346:2009.
В соответствие с поставленной целью решались следующие основные задачи:
1. Определение оптимальных систем легирования высокопрочных
микролегированных сталей на основе изучения процессов формирова
ния структуры при нагреве и охлаждении проката и термодинамического
анализа условий выделения и растворения выделений избыточных фаз
(частиц), влияющих на свойства.
2. Разработка технологических режимов производства, позволяющих
управлять типом, количеством и морфологией частиц, формированием
структуры и свойств холоднокатаного проката из микролегированных
сталей применительно к технологическим возможностям отечественных
металлургических предприятий.
-
Исследование влияния параметров сквозной технологии, в том числе режима термической обработки в агрегате непрерывного действия, на структуру и свойства холоднокатаного проката из высокопрочных сталей оптимальной системы микролегирования.
-
Разработка рекомендаций по оптимальному химическому составу и технологическим параметрам производства холоднокатаного проката различных классов прочности. Выпуск опытных и промышленных партий металлопродукции с обеспечением требуемого комплекса механических свойств.
Научная новизна работы. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые результаты:
1. Показано, что для холоднокатаных высокопрочных микролеги
рованных сталей, подвергаемых непрерывной термической обработке,
достижение наиболее высокой прочности проката обеспечивается при
микролегировании ниобием или ниобием совместно с ванадием. Допол
нительное микролегирование титаном приводит к снижению прочност
ных свойств из-за уменьшения эффективности частиц Nb(C,N), V(C,N),
вследствие их выделения на частицах TiN.
-
Установлено, что для сталей микролегированных ниобием измельчение зерна (<5 мкм) в процессе отжига достигается благодаря формированию в процессе горячей прокатки в интервале температур 900-950 С частиц Nb (C,N) размером ~ 0,1 мкм. Дисперсионное упрочнение обеспечивается частицами Nb (C,N) размерами менее 10 нм, формирующимися в процессе охлаждения горячекатаных полос, смотанных в рулон при температуре ~ 600 С, которые сохраняются при отжиге в интервале температур 750-800 С. Увеличение температуры отжига выше 820 С приводит к повышению пластичности при незначительном снижении прочности из-за растворения наиболее дисперсных частиц Nb (C,N).
-
Впервые показано, что для сталей микролегированных ниобием и ванадием, при температуре термической обработке выше 800 С происходит растворение частиц V(C,N), сформировавшихся при охлаждении горячекатаного проката. Дисперсионное упрочнение таких сталей обеспечивается благодаря выделению частиц V(C,N) размерами менее 10 нм на этапе охлаждения полосы после непрерывного отжига. С увеличением температуры отжига от 800 до 860 С и скорости охлаждения от 15-18 до 39-52 С эффективность дисперсионного упрочнения возрастает вследствие увеличения количества частиц V(C,N) и уменьшения их размеров до 3 нм и менее.
-
Показано, что при низком содержании серы (0,003-0,006%) при нагреве под прокатку происходит растворение значительной доли сульфида марганца, часть которого не успевает выделиться при последующей
прокатке и охлаждении горячекатаных полос, образуя в процессе отжига при температурах 820-840 С частицы размерами не более 30 нм, что приводит к измельчению зерна и к сохранению высокой прочности. Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
Разработаны технологические рекомендации по оптимальным системам легирования высокопрочного горячекатаного проката из низколегированных сталей с пределом текучести 260-500 Н/мм2.
-
Определены оптимальные значения технологических параметров производства, которые различаются в зависимости от класса прочности, выбранной системы легирования и возможностей применяемого оборудования.
-
Рекомендации работы использованы при выпуске на ОАО «ММК» и ЧерМК ОАО «Северсталь» опытных и промышленных партий горяче-оцинкованного проката из высокопрочных микролегированных сталей марок HX260LAD, HX300LAD, HX340LAD, HX380LAD, HX420LAD по EN 10346:2009 с показателями пластичности и стабильности прочностных характеристик выше, чем у существующих аналогов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Обоснование механизмов влияния микролегирующих элементов на кинетику фазовых превращений при непрерывном нагреве и охлаждении, формирование структуры и свойств холоднокатаного проката из высокопрочных сталей, термообрабатываемого в агрегатах непрерывного действия.
-
Оптимальные технологические режимы, позволяющие управления структурой и свойствами холоднокатаного проката из высокопрочных микролегированных сталей при термической обработке в агрегатах непрерывного действия, в том числе путем формирования выделений избыточных фаз оптимальной морфологии на разных этапах технологии.
-
Обоснование оптимальных систем микролегирования и параметров сквозной технологии, обеспечивающих формирование благоприятной структуры и высокого комплекса свойств холоднокатаного проката из высокопрочных микролегированных сталей, термообрабатываемых в агрегатах непрерывного действия.
Достоверность полученных результатов обеспечивается воспроизводимостью и согласованностью анализируемых данных, использованием современных методов моделирования и исследования, включая оптическую микроскопию, просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию, дифференциальную сканирующую калориметрию, дилатометрию, механические испытания, а также положительными результатами промышленного внедрения разработанных рекомендаций, полученных на основании экспериментальных данных.
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности, по которой она рекомендуется к защите. Работа соответствует формуле и пункту 1 области исследования специальности 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов: 1. Изучение взаимосвязи химического и фазового составов (характеризуемых различными типами диаграмм), в том числе диаграммами состояния с физическими, механическими, химическими и другими свойствами сплавов».
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены: на XI Конгрессе сталеплавильщиков «ТРАНСМЕТ 2010», г. Нижний Тагил, 2010 г.; на VIII Конгрессе прокатчиков, г.Магнитогорск, 2010 г.; на научно-технической конференции «Металлопродукция для автопрома», Москва, 2010 г.; на III научно-технической конференции по термической обработке «Новые стали для машиностроения и их термическая обработка», г. Тольятти, 2011 г.; на международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (АММТ'2011), г. Санкт-Петербург, 2011 г.; на XI Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (АМР-2011), г. Санкт-Петербург, 2011 г.; на XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии «Физико-химические основы металлургических процессов», г. Волгоград, 2011 г.
Работа отмечена золотой медалью на XVI Международной промышленной выставке «Металл-Экспо 2010», а также дипломом лауреата конкурса «Молодые ученые» на XVI Международной промышленной выставке «Металл-Экспо 2010».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть статей в журналах из перечня ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 165 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 22 таблицы, состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы из 128 источников.
