Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературы 11
1.1. Основные направления повьппения потребительских свойств автолистовых сталей, в том числе на основе анализа мирового опыта 11
1.1.1. Высокоштампуемые IF-стали 12
1.1.2. Высокопрочные IF-стали 13
1.1.2.1 .Высокопрочные IF-стали без упрочнения при сушке 16
1.1.2.2.Высокопрочные IF-стали с упрочнением при сушке 20
1.1.3. Перспективы развития 23
1.2. Металловедческие основы получения высокоштампуемыхсверхнизкоуглеродистых сталей типа IF 24
1.2.1. Основные принципы оптимизации химического состава й формирования свойств сверхнизкоуглеродистых сталей для обеспечения наиболее высоких показателей штампуемости 24
1.2.2. Возможности и опыт производства высокоштампуемых сверхнизкоуглеродистых сталей по различным технологическим параметрам. 25
1.2.2.1. Химический состав и закономерности выделения частиц. 25
1.2.2.2. Расчет содержания элементов в IF и сверхнизкоуглеродистых сталях. 29
1.2.2.3. Диаграмма выделения частиц (ДВЧ) в IF и ULC сталях. 29
1.2.2.4. Температура нагрева сляба 32
1.2.2.5. Температура конца прокатки 32
1.2.2.6. Температура смотки 32
1.2.2.7. Контролируемое охлаждение рулонов 34
1.2.2.8. Холодная прокатка 34
1.2.2.9. Рекристаллизационный отжиг 36
1.2.2.10. Дрессировка 38
1.3. Принципы получения и опыт производства автолистовых сталей с ВН эффектом. 38
1.3.1. Металловедческие аспекты и опыт производства сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом 38
1.3.2. Основные параметры технологии производства сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом. 42
1.3.2.1. Выбор химического состава. 42
1.3.2.2. Контроль серы, марганца и фосфора. 46
1.3.2.3. Расчет содержания элементов внедрения в твердом растворе и в частицах. 48
1.3.2.4. Горячая прокатка. 48
1.3.2.5. Холодная прокатка. 51
1.3.2.6. Рекристаллизационный отжиг в агрегатах непрерывного отжига (АНО). 53
1.3.2.7. Дрессировка. 57
1.4. Возможности повышения коррозионной стойкости автолистовых сталей путем оптимизации их химического состава и технологических параметров производства. 59
1.5. Состояние вопроса и задачи исследования 66
2 Материалы и методики исследования 68
2.1. Химический состав исследованных сталей. 68
2.2. Методика проведения термической обработки . 68
2.3. Исследование состояния твердого раствора методом внутреннего трения. 69
2.4. Методика исследования микроструктуры. 74
2.5. Методика проведения механических испытаний. 74
3 Исследование формирования структуры и войстворячеоцинкованной IF-стали на разных стадиях производственного цикла. разработка рекомендаций по оптимальным технологическим параметрам, обеспечивающим наиболее высокую штампуемость и выпуск опытных партий горячеоцинкованной IF-стали . 78
3.1. Анализ типов частиц в IF-стали, условий их выделения и растворения на разных этапах производства, их влияния на свойства металлопродукции. 78
3.2. Разработка технологических рекомендаций по нагреву слябов, горячей прокатке и смотке в рулоны горячекатаных полос IF-стали . 89
3.3. Разработка технологических рекомендаций по оптимальным режимам термической обработки IF-стали в колпаковых печах и в протяжной печи применительно к агрегату горячего цинкования. 93
3.3.1. Моделирование колпакового отжига. 93
3.3.2. Моделирование режимов термообработки для агрегата горячего цинкования 95
3.3.3. Исследование влияния температуры непрерывного отжига и степени обжатия при холодной прокатке на структуру и свойства IF-стали производства ОАО «ММК». 99
3.4. Выпуск опытных партий, горячеоцинкованной IF-стали, комплексное исследование качества, в том числе, при переработке у потребителя. 107
4 Исследование влияния химического состава и технологических параметров производства сверхнизкоуглеродистых сталей с вн-эффектом на их структурные характеристики и комплекс механических свойств. разработка технологических рекомендаций по производству сверхнизкоуглеродистых сталей с внэффектом различных классов прочности и выпуск опытных партий металлопродукции . 109
4.1. Расчет химического состава сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом. 109
4.1.1. Расчет содержания ниобия в IF-сталях, микролегированных титаном совместно с ниобием или ниобием, для обеспечения ВН-эффекта. 110
4.1.2. Расчет содержания титана в сталях, микролегированных титаном совместно с ниобием. 117
4.1.3. Расчет температурных интервалов выделения сульфида марганца. 120
4.1.4. Варианты химического состава сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом. 121
4.2. Лабораторное исследование влияния параметров непрерывного отжига сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом на микроструктуру, состояние твердого раствора и комплекс механических характеристик в зависимости от химического состава стали и параметров горячей прокатки . 123
4.2.1. Моделирование отжига применительно к возможностям агрегата горячего цинкования ОАО «ММК». Исследование структуры и свойств и разработка рекомендаций по оптимальным технологическим параметрам производства горячеоцинкованной стали с ВН-эффектом различных классов прочности. 123
4.2.2. Моделирование термической обработки применительно к возможностям агрегата непрерывного отжига ОАО «НЛМК». Исследование структуры и свойств и разработка рекомендаций по оптимальным технологическим параметрам производства сталей с ВН- эффектом различных классов прочности, предназначенных для испытания в непокрытом варианте или для нанесения электроцинкового покрытия. 132
4.3. Выпуск опытных партий горячеоцинкованной сверхнизкоуглеродистой стали с ВН-эффектом различных классов прочности в ОАО «ММК». Исследование качества, в том числе при переработке в ОАО «АвтоВАЗ». 135
4.3.1. Выпуск, исследование и переработка опытной партии горячеоцинкованной стали с ВН-эффектом класса прочности К180. 135
4.3.2. Выпуск, исследование и переработка опытной партии горячеоцинкованной стали с ВН-эффектом класса прочности К220. 141
4.4. Вьтуск опытных партий холоднокатаной сверхнизкоуглеродистой стали с ВН-эффектом различных классов прочности в ОАО «НЛМК». Исследование качества, в том числе при переработке в ОАО «АвтоВАЗ». 143
4.4.1. Выпуск и исследование опытной партии холоднокатаной стали с ВН-эффектом класса прочности К180. 143
4.4.2. Вьтуск и исследование опытной партии холоднокатаной стали с ВН-эффектом классов прочности К220-240. 148
4.4.3. Переработка и исследование качества металла опытных партий в ОАО «АвтоВАЗ». 156
4.5.Выводы по главе 4. 157
5 Исследование факторов, определяющих коррозионную стойкость холоднокатаных автолистовых сталей . 159
5.1 Разработка лабораторных методов коррозионных испытаний и исследование факторов коррозии автолистовых сталей. 159
5.1.1. Разработка метода переменного погружения и анализ полученных результатов. 159
5.1.2. Ранжирование сталей по группам коррозионной стойкости при использовании метода переменного погружения. 166
5.1.3. Необходимость обеспечения чистоты стали повышенной коррозионной стойкости по коррозионно-активным неметаллическим включениям. 167
5.2. Результаты комплексных коррозионных испытаний автолистовьк сталей, легированных медью и фосфором, производства ОАО «Северсталь». 169
5.2.1 Сравнительные коррозионные испытания сталей, легированных медью, производства ОАО «Северсталь» методом переменного погружения. 169
5.2.2 Сравнительная оценка коррозионной стойкости автолистовых сталей в ОАО «АвтоВАЗ». 172
5.3. Исследование влияния чистоты автолистовой стали по неметаллическим включениям на ее коррозионную стойкость. 173
5.4. Выводы по главе 5. 180
Выводы 181
Список литературы 183
Приложения
- Металловедческие основы получения высокоштампуемыхсверхнизкоуглеродистых сталей типа IF
- Методика проведения термической обработки
- Разработка технологических рекомендаций по нагреву слябов, горячей прокатке и смотке в рулоны горячекатаных полос IF-стали
- Лабораторное исследование влияния параметров непрерывного отжига сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом на микроструктуру, состояние твердого раствора и комплекс механических характеристик в зависимости от химического состава стали и параметров горячей прокатки
Введение к работе
В последнее время основными направлениями повышения потребительских свойств автолистовых сталей являются повышение прочности для снижения металлоемкости готовой продукции, улучшение штампуемости, а также обеспечение коррозионной стойкости.
Освоение в конвертерном производстве основных металлургических предприятий (ОАО «НЛМК», ОАО «ММК», ОАО «Северсталь») вакууматоров позволяет получать автолистовые стали со сверхнизким содержанием углерода, а ввод новых и совершенствование существующих агрегатов непрерывного горячего цинкования позволяет осваивать горячеоцинкованные автолистовые стали. При этом прямое заимствование химического состава и технологии из зарубежного опыта малоперспективно ввиду специфики состава отечественных сталей и оборудования предприятий.
Для получения автолистового проката предпочтительны сверхнизкоуглеродистые стали, свободные от атомов углерода и азота в твердом растворе, микролегированные титаном и/или ниобием, - IF-стали (Interstitial Free steels). Для повышения прочности (до предела текучести 260 Н/мм) наиболее эффективно также использование холоднокатаного листа из сверхнизкоуглеродистых сталей, микролегированных титаном и ниобием, а также фосфором и бором. В них сочетается исходно низкий предел текучести (что важно для штампуемости) и существенное упрочнение (более 40 Н/мм2) от нагрева при сушке лакокрасочного покрытия (ЛКП) готового автомобиля - ВН-эффект. Физическая сущность ВН-эффекта (Bake Hardening effect) заключается в закреплении появляющихся в стали после штамповки детали дислокаций атомами углерода, подвижность которых в твердом растворе феррита резко повышается в результате нагрева при сушке ЛКП. Поэтому, для обеспечения определенного уровня ВН-эффекта необходимо строго нормировать и жестко контролировать на всех стадиях технологического процесса содержание элементов внедрения в твердом растворе. Кроме того, для сталей данного класса обеспечивается высокая адгезия различных типов защитных покрытий.
Одна из наиболее важных на сегодня проблем повышения коррозионной стойкости автомобиля может быть решена не только улучшением защитных покрытий, но и путем повышения коррозионной стойкости самой автолистовой стали.
Требуемый уровень потребительских свойств автолистовых сталей может быть достигнут только при оптимизации химического состава, микроструктуры и
') )
8 технологических параметров производства на каждой стадии технологического передела, начиная с выплавки и заканчивая штамповкой и покраской.
Целью настоящей работы являлась оптимизация технологических параметров производства сверхнизкоуглеродистых автолистовых сталей, направленная на повышение штампуемости, прочностных характеристик и коррозионной стойкости.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Исследование формирования структуры и свойств на разных этапах производственного
цикла
горячеоцинкованных IF-сталей (ОАО «ММК»)
сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом различных классов прочности в горячеоцинкованном и непокрытом вариантах (ОАО «ММК», ОАО «НЛМК»).
Разработка рекомендаций по оптимальным технологическим параметрам производства и выпуск опытных партий металлопродукции.
Исследование влияния химического состава и других технологических параметров производства автолистовых сталей на их стойкость против атмосферной коррозии с установлением факторов, обеспечивающих требуемый уровень коррозионной стойкости.
Научная новизна.
В результате проведенных исследований формирования структуры и свойств на всех стадиях технологического процесса изготовления автолистовых сверхнизкоуглеродистых сталей получены следующие новые результаты:
1. Применительно к возможностям оборудования ОАО «ММК» установлены факторы, определяющие уровень свойств горячеоцинкованного проката из сверхнизкоуглеродистых высокоштампуемых IF-сталей, к которым относятся химический состав стали, режимы горячей прокатки и смотки полос в рулоны и температура отжига в агрегате цинкования. На базе электронномикроскопического анализа частиц в IF-сталях, термодинамических расчетов и определения содержания примесей внедрения методом внутреннего трения, выданы рекомендации по оптимальным технологическим параметрам горячей прокатки и отжига, обеспечивающим чистоту твердого раствора по примесям внедрения, благоприятную зеренную структуру и механические свойства. Так, для стали, содержащей 0,005-0,006% углерода, 0,004-0,005% азота, 0,007-0,010% серы, оптимальным является микролегирование титаном в количестве 0,030-0,050%, ниобием - 0,040-0,060%, а также обеспечение температуры конца прокатки в интервале 890-93 0С, температуры смотки -700-740С, температуры отжига 800-850С.
/
)
Установлены оптимальные значения режимов горячей прокатки, непрерывного отжига и микролегирования сталей с ВН-эффектом, обеспечивающие наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств для различных классов прочности. При ограничении содержания титана в стали уровнем связывания азота (< 3,43N), ВН-эффект после термической обработки в проходной печи (агрегате цинкования или непрерывного отжига) по оптимальным режимам достаточно стабильный и определяется соотношением между углеродом и ниобием. Легирование фосфором позволяет повысить величину ВН-эффекта.
Определены возможности повышения величины ВН-эффекта при постоянном химическом составе путем оптимизации режимов непрерывного отжига. Увеличение температуры отжига от 750 до 850С повышает ВН-эффект в среднем на 20 Н/мм2, что связано с повышением содержания углерода в твердом растворе из-за растворения частиц карбида ниобия. Увеличение скорости движения полосы в агрегате также повышает ВН-эффект, вследствие сохранения углерода в твердом растворе из-за высоких скоростей охлаждения. Когда схема непрерывного отжига предусматривает ускоренное охлаждение до комнатной температуры с последующим перестариванием, снижение температуры начала ускоренного охлаждения от 550 до 450С увеличивает ВН-эффект с 32-36 до 45-50 Н/мм2.
Коррозионными испытаниями в лабораторных условиях и в ОАО «АвтоВАЗ» установлены основные факторы коррозионной стойкости холоднокатаных автолистовых сталей: суммарное содержание углерода и кремния, содержание меди, а также чистота стали по коррозионно-активным неметаллическим включениям. При использовании сверхнизкоуглеродистых сталей возможно повышение коррозионной стойкости стали за счет снижения содержания углерода и кремния, микролегирования медью, а также оптимизации производства стали для обеспечения чистоты по коррозионно-активным неметаллическим включениям.
Практическая значимость работы состоит в следующем;
Разработаны технологические рекомендации по оптимальным параметрам производства сверхнизкоуглеродистых сталей, в том числе с ВН-эффектом, различных классов прочности в холоднокатаном и горячеоцинкованном вариантах.
Рекомендации работы использованы при выпуске опытных и промышленных партий сверхнизкоуглеродистых сталей, в том числе горячеоцинкованных IF-сталей в ОАО «ММК», сталей с ВН-эффектом различных классов прочности в ОАО «ММК» (горячеоцинкованный прокат) и ОАО «НЛМК» (холоднокатаный прокат) для ОАО «АвтоВАЗ». При переработке металла в ОАО «АвтоВАЗ» отмечены высокий комплекс
>,
механических характеристик, соответствие требованиям нормативно-технической
документации.
3. Предложены и опробуются в условиях ОАО «Северсталь» технологические
рекомендации по повьппению коррозионной стойкости автолистовых сталей путем
оптимизации их химического состава и технологических параметров производства.
Металловедческие основы получения высокоштампуемыхсверхнизкоуглеродистых сталей типа IF
Введение в низкоуглеродистую сталь таких легирующих элементов, как Ті, Nb, V существенно меняет свойства стали. В небольших количествах эти элементы упрочняют сталь в результате образования дисперсных частиц карбидов, нитридов, карбонитридов, карбосульфидов и т.д. и измельчения зерна феррита. Однако, при достижении стехиометрического соотношения между указанными элементами и содержащимися в стали углеродом, азотом, серой, величина предела текучести резко уменьшается, площадка текучести пропадает, сталь перестает стареть при комнатной температуре. Физическая природа этого явления заключается в том, что углерод и азот в этом случае полностью переходят из твердого раствора (где их упрочняющее действие является наиболее сильным) в специальные частицы, которые не приводят ни к дисперсионному упрочнению, ни к измельчению зерна из-за своих сравнительно крупных размеров.
Впервые это явление было открыто, по-видимому, в Англии в 1940 году [42]. Было обнаружено, что введение в сталь титана в количестве, превышающем четырехкратное содержание углерода (что приблизительно соответствует стехиометрическому соотношению между углеродом и титаном в карбиде титана ТІС), происходило исчезновение площадки текучести вместе с резким уменьшением условного предела текучести.
Естественно, что чем меньше суммарное содержание углерода и азота, тем меньше должно быть содержание легирующих элементов для связи атомов внедрения в карбонитриды и другие специальные частицы (для соответствующей очистки твердого раствора), что хорошо видно из рис. 1.7 [42].
Во второй половине 1970-х - начале 1980-х годов в Японии и Европе были проведены подробные исследования влияния химического состава, параметров горячей прокатки на формирование свойств холоднокатаных сталей после линий непрерывного отжига. Обобщение результатов этих исследований представлено, на рис. 1.8 [43]. Видно, что максимальное значение коэффициента нормальной пластической анизотропии гт готовой холоднокатаной стали достигается при условии, когда стехиометрическое соотношение между легирующими элементами и элементами внедрения приближается к единице.
Другими словами, наиболее благоприятная текстура отжига (в условиях непрерывного отжига) формируется в структуре, представляющей собой практически чистую ферритную матрицу. Действительно, в случае весьма кратковременного непрерывного отжига для формирования благоприятной (острой) текстуры необходимо создать условия роста зерна феррита в процессе рекристаллизации. Атомы углерода и азота в твердом растворе, напротив, препятствуют росту зерна. Очистка ферритной матрицы подката и, соответственно, холоднокатаной стали от атомов внедрения способствует росту зерна и усилению благоприятной текстуры отжига. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы атомы внедрения, находящиеся в растворе во время нагрева перед горячей прокаткой, в процессе этой прокатки и охлаждения подката были максимально связаны.
Очевидно, что только IF-стали в полной мере могут удовлетворять требованию полной очистки твердого раствора подката, что и определило их массовое применение в первую очередь при проведении рекристаллизационного отжига в агрегатах непрерывного отжига.
Опытно-промышленное производство IF-сталей началось в середине 1960-х годов ведущими металлургическими фирмами Европы (в первую очередь, Германии), Япоии и
СІЛА. Сталь выплавляли как в мартеновских, так и в электропечах, затем подвергали вакуумированию для максимально возможного снижения содержания углерода в стали и разливали как в слитки, так и на установках непрерывной разливки стали. Содержание углерода, азота, титана и ниобия составляло: С = 0,002 - 0,012%; N = 0,004 - 0,008%; Ті = 0,08 - 0,31%; Nb = 0,06 - 0,25%. Типичное значение предела текучести для холоднокатаной отожженной в колпаковых печах стали составляло от = 120 -140 МПа (сталь с Ті) и ат = 150-160 МПа (сталь с Nb); величина относительного удлинения и коэффициент гт достигали 50% и 2,0 соответственно [44,45].
Действительно серьезная потребность в IF-сталях возникла в начале 1980-х годов, когда появились крупные заказы на производство высокопластичной холоднокатаной стали с коррозионно-стойкими покрытиями.
Осознав бесспорные преимущества этой стали, начиная с середины 1980-х годов все ведущие металлургические компании мира бросились в конкурентную борьбу по снижению себестоимости этих сталей, и уже к середине 1990-х годов достигли значительных успехов. Некоторые металлургические компании (пока в основном японские) пытаются вообще весь марочный ряд тонколистовых сталей формировать на основе вьшлавки только ультранизкоуглеродистых сталей, а требуемые потребительские свойства получать изменением режимов на последующих технологических переделах.
Одной из ведущих тенденций последнего десятилетия является постоянное снижение уровня углерода и азота в IF-сталях, что в первую очередь влечет за собой снижение необходимого уровня легирующих элементов. В свою очередь, снижение легирующих элементов приводит к снижению себестоимости стали и, что наиболее важно, к улучшению качества поверхности листа и улучшению адгезии цинкового покрытия.
В результате все ведущие металлургические компании Японии, Европы и Северной Америки производят эти стали в настоящее время с содержанием углерода и азота в диапазоне 0,002 - 0,004%. В последнее время целый ряд работ в Японии посвящен исследованиям свойств особо ультранизкоуглеродистой стали с содержанием углерода менее 0,001%, где вообще отсутствует микролегирование. Для получения необходимого высокого комплекса механических свойств в этой стали были опробованы схемы охлаждения горячей полосы со сверхвысокими скоростями, когда интенсивное охлаждение начиналось через десятые доли секунды после выхода полосы из последней клети чистовой группы [46].
Очевидно, что уровень содержания основных элементов в стали (С, N, Si, S, Р) является показателем технологического уровня данной металлургической фирмы. В табл. 1.4 представлены некоторые данные по химическому составу и объемам производства IF-сталей отдельными металлургическими фирмами в странах с развивающейся экономикой.
Методика проведения термической обработки
Термическую обработку образцов в лабораторных условиях проводили в камерной печи электросопротивления со следующими размерами рабочего пространства: 220x200x570 мм. Температура образцов контролировалась при помощи зачеканешюй в них хромель алюмелевой термопары, подсоединенной к цифровому термометру НН12. Точності измерения температуры составляла ± 3С. Для определения содержания углерода, не связанного в карбиды титана или ниобия в горячекатаной полосе, была выполнена специальная "растворяющая" термическая обработка, которая заключалась в нагреве образцов до 550С выдержке в течение 10 минут и последующей закалке в воду. После указанной термической обработки углерод, выделяющийся в процессе охлаждения в виде цементита или сегрегации, переходил в твердый раствор. Для проведения "растворяющей" термической обработки все образцы вырезались под углом 90 к направлению прокатки.
Лабораторное моделирование циклов колпакового и непрерывного отжига проводилось применительно к колпаковым печам и агрегатам непрерывного отжига и горячего цинкования ОАО «ММК» и ОАО «НЛМК». Режимы термической обработки в лабораторных условиях приведены в соответствующих разделах.
Для оценки величины ВН-эффекта проводили моделирование процесса старения охлажденных на воздухе и дрессированных, а также продеформированных на 2% образцов с вьщержкой при температуре 170С в течение 20 минут. Образцы вместе со "свидетелем", с начеканенной в него термопарой, для точного контроля температуры помещали в масляную баню.
Известно, что содержание углерода и азота в твердом растворе феррита непосредственно влияет на склонность стали к старению [102, 103]. Известно также, что метод температурной зависимости внутреннего трения (ТЗВТ) является практически единственным методом, позволяющим определить содержание элементов внедрения в твердом растворе.
Внутреннее трение - это необратимое рассеяние энергии упругих колебаний в материале, вызываемое его неупругим поведением [102-104]. В реальном твердом теле упругая деформация складывается из деформации, возникающей мгновенно (со скоростью распространения упругой волны в твердом теле), и неупругой деформации, равновесное значение которой достигается во времени. Неупругая деформация вызывается широким спектром физических процессов, возникающих в материале под действием упругих напряжений. В случае приложения периодических упругих напряжений (колебаний), неупругость вызывает рассеяние энергии - внутреннее трение (ВТ). Одним из методов измерения ВТ является определение затухания свободных колебаний после снятия возбуждающей нагрузки. В этом случае ВТ пропорционально логарифмическому декременту колебаний и определяется по формуле:где: Ai - начальная амплитуда колебаний; Ап - конечная амплитуда колебаний; п - число колебаний.
Внутреннее трение, вызванное диффузией атомов внедрения в решетке феррита под действием периодических упругих напряжений, носит релаксационный характер. Другими словами, процесс направлен в сторону уменьшения внутренних напряжений в материале. Механизм релаксации применительно к атомам углерода и азота состоит в следующем. В отсутствии внешних напряжений атомы углерода и азота равномерно распределены в междоузлиях решетки феррита, т. е. в позициях внедрения. При приложении периодических напряжений, определенные оси ОЦК-решетки растягиваются, и атомы внедрения устремляются в междоузлия, расположенные вдоль этих осей, как в энергетически более выгодные позиции. При смене знака напряжения энергетически выгодными становятся позиции вдоль других осей, в результате чего происходит перемещение или диффузия атомов углерода и азота в эти позиции, т. е. процесс уменьшения (релаксации) напряжений в материале.
Время релаксации тр, необходимое для перемещения атома внедрения из одного междоузлия в другое в результате диффузии под напряжением, зависит от температуры Т согласно формуле:где: Н - энергия активации процесса диффузии атомов внедрения; то и R - постоянные.
Внутреннее трение образца (затухание колебаний), после приложения к нему периодических напряжений, зависит от частоты колебаний в системе. В случае, если циклическая частота колебаний образца w совпадает с частотой перескоков атомов внедрения 1/тр, или WTP = 1, наступают условия резонанса, и затухание колебаний после снятия возбуждающей нагрузки происходит особенно быстро: на кривой Q" - w образуется максимум. Однако на практике крайне сложно добиться изменений частоты колебаний системы в широких пределах. Поэтому, используя зависимость времени релаксации от температуры (2.2), применяют построение кривых Q"1 - Т при постоянной частоте колебаний образца. В этом случае на кривой ТЗВТ наблюдается низко- и высокотемпературный фон, а также может образовываться ряд максимумов.
Наиболее изученные и широко применяемые при исследованиях максимумы ТЗВТ -это пики Сноека, высота которых пропорциональна содержанию в феррите свободных атомов углерода и азота:71 где: [С] и [N] — содержание свободных атомов углерода и азота; Кс и KN - коэффициенты в % по массе; (Q"1m)c и (Q"Im)N - значения высоты пиков Сноека для углерода и азота.
Значения коэффициентов Кс и KN зависят от. структурных параметров стали. По данным работы [105-107] значения Кс = 2 и KN = 1,4.
При частоте 1 сек"1 (1 Гц) азотный и углеродный пики Сноека расположены, соответственно, при температуре 22 и 39С. С увеличением частоты температура пика сдвигается в сторону более высоких температур согласно формулам:где: Tm — температура пика при частоте w = 2nf; Ті - температура пика при частоте f=1 сек"1.
Пик Сноека имеет дебаевскую форму и описывается следующим уравнением:где: Q 1 — текущие значения ВТ при температуре Т; Q - пик ВТ при температуре пика Тт.При наличии в феррите атомов углерода и азота на кривой ТЗВТ происходит наложение двух довольно близко расположенных углеродного и азотного пиков Сноека.
Разработка технологических рекомендаций по нагреву слябов, горячей прокатке и смотке в рулоны горячекатаных полос IF-стали
При разработке технологических рекомендаций по горячей1 прокатке IF-стали были использованы литературные данные, приведенные в главе 1, а также результаты анализа типов частиц и условий их вьщеления и растворения для конкретной плавки (см. раздел 3.1.). Для прокатки первой партии слябов на стане «2000» ОАО «ММК» температура нагрева слябов под прокатку была назначена 1150С, температура раскатов толщиной 35-40 мм между черновой и чистовой группами клетей - 1040+20С, температура конца прокатки -890-930С, температура смотки 730±15С.
На первую прокатку было задано 6 слябов плавки, химический состав которой представлен в табл.3.1. Фактическая температура нагрева под прокатку составила 1180-1190С. Заданные толщины полос - 2,8мм. При прокатке первого сляба не удалось получить нужную толщину полосы; фактическая толщина составила 3,2мм. Остальные полосы получены толщиной 2,8 мм. Параметры горячей прокатки для всех полученных рулонов и соответствующий химический состав приведены в табл. 3.3. Видно, что основные рекомендации по параметрам горячей прокатки, представленные выше, выполнены. Исключение составляет рулон 1 с толщиной полосы 3,2мм, где температура смотки превысила
Механические свойства горячекатаных полос, определенные в ОАО «ММК» и в ЦНИИЧермет приведены в табл. 3.5. Следует отметить низкий уровень предела текучести и сравнительно высокие значения относительного удлинения. Характеристики зеренной структуры приведены в табл. 3.6, микроструктура горячекатаного проката для некоторых образцов - на рис. 3.4. Наблюдается некоторое увеличение размера зерна от конца к середине рулона. В полосе толщиной 3,2мм размер зерна несколько больше, чем для остальных рулонов, что объясняется более высокой температурой смотки. Полученный уровень свойств и характер микроструктуры подката являются благоприятными для обеспечения в дальнейшем высокой штампуемости холоднокатаной стали, что и было подтверждено при проведении механических испытаний холоднокатаного проката.
Размер зерна феррита после непрерывного отжига при температуре 850С холоднокатаного металла данной партии толщиной 0,8-1,2 мм составил 15,6-15,9 мкм.
Следующая партия слябов (партия 2) той же плавки была нагрета под прокатку до температуры 1240-125 0С. Все остальные параметры прокатки были такими же, как для партии 1. Для партии 2 размер зерна феррита после непрерывного отжига холоднокатаного металла толщиной 0,6 мм оказался несколько ниже и составил 13,6 мкм, что может быть1250С, так и с уменьшением толщины проката. Более подробно результаты механических испытаний рассмотрены ниже (см. раздел 3.3.).
Таким образом, установлены оптимальные параметры горячей прокатки IF-стали с содержанием углерода 0,005-0,006% и содержанием азота 0,004-0,005%, обеспечивающие удаление примесей внедрения из твердого раствора, выделение частиц сравнительно больших размеров и формирование достаточно крупного и равномерного ферритного зерна как в горячекатаном подкате, так и в холоднокатаном прокате после непрерывного отжига, что определяет высокий уровень механических характеристик. Для этого целесообразно:- обеспечение пониженных температур нагрева слябов под прокатку - не выше 1150-1200С: для сталей с низким содержанием титана ( 0,030%), где образование карбосульфидов в этом интервале температур маловероятно, это способствует удалению серы из твердого раствора в виде сульфидов марганца и предупреждает выделение карбосульфидов титана в интервале температур окончания горячей прокатки, которое может тормозить рекристаллизационные процессы;- для сталей с высоким содержанием титана ( 0,030% формирование в указанном интервале температур сравнительно крупных карбосульфидов приводит к уменьшению количества мелкодисперсных карбидов, отрицательно влияющих на структуру и свойства стали; - обеспечение температур конца прокатки в интервале 890-930С; увеличение температуры конца прокатки выше 930С приводит к увеличению скорости охлаждения полосы перед смоткой, повышает дисперсность выделяемых частиц и зеренной структуры, что отрицательно влияет на свойства; снижение температуры конца прокатки ниже 890С повышает вероятность выделения в процессе прокатки частиц карбидов, которые могут тормозить рекристаллизационные процессы, что также отрицательно влияет на структуру и свойства;- обеспечение температуры смотки горячекатаной полосы в интервале 700-740С: использование более высокой температуры смотки может затруднить удаление окалины при травлении полос; при более низкой температуре смотки повышается дисперсность выделяемых частиц и зеренной структуры феррита.
При существенных изменениях химического состава выплавляемой IF-стали целесообразно проведение анализа типов частиц, условий их растворения и выделения, что может потребовать корректировки технологических параметров горячей прокатки для обеспечения более высокого комплекса свойств.
Лабораторное исследование влияния параметров непрерывного отжига сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом на микроструктуру, состояние твердого раствора и комплекс механических характеристик в зависимости от химического состава стали и параметров горячей прокатки
Лабораторное исследование влияния параметров непрерывного отжига сверхнизкоуглеродистых сталей с ВН-эффектом на микроструктуру, состояние твердого раствора и комплекс механических характеристик в зависимости от химического состава стали и параметров горячей прокатки.цинкования ОАО «ММК». Исследование структуры и свойств и разработка рекомендаций по оптимальным технологическим параметрам производства горячеоцинкованной стали с ВН-эффектом различных классов прочности.
В ОАО «ММК» была изготовлена установочная партия горячеоцинкованной автолистовой стали с ВН-эффектом класса прочности К180. Химический состав данной партии, а также расчетное содержание углерода, связанного в карбид ниобия Сыьс и в твердом растворе С , приведены в табл. 4.5. Расчетное содержание углерода в твердом растворе от 5,5 до 16,8 ррт является достаточным для обеспечения ВН-эффекта горячеоцинкованной стали.
Четыре сляба были заданы на горячую прокатку на полосы толщиной-2,6 мм. Температуры конца прокатки составили 918 - 929С, температуры смотки - 725 - 734С. На конце одной из полос температура смотки была несколько ниже и составляла 706-709С.
После травления и холодной прокатки с обжатием около 70 % полосы обрабатывали в агрегате цинкования, задавая температуру отжига в интервале 800 - 850С, степень обжатия при дрессировке - 0,8 - 0,9 %.
Результаты механических испытаний в ОАО «ММК» показали, что полученный горячеоцинкованный прокат из стали 006/IF-BH соответствует требованиям ТС 14-101-517-2003, классу прочности К180. Фактические значения механических свойств составили:
Полученный уровень свойств соответствует уровню лучших зарубежных аналогов сталей с Н-эффектом [112].В ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» было проведено лабораторное моделирование режимов непрерывного отжига применительно к АНГЦ ОАО «ММК» по 3-м различным вариантам:1) скорость полосы 2 м/сек, температура отжига То =800С;2) скорость полосы 1 м/сек, температура отжига Т07Ж =850С;3) скорость полосы 2 м/сек, температура отжига Т пж =850С.
Отжиг проводили на 3-х партиях нагартованного металла плавки № 323344 (партии 8668, 8669, 8671). Режимы термической обработки образцов представлены на рис. 4.1. В дальнейшем для оценки механических свойств отожженные и охлажденные на воздухе образцы были подвергнуты дрессировке с обжатием около 1%.
В табл. 4.6 приведены результаты испытаний в ЦНИИчермет: средние значения механических свойств, величины ВН-эффекта и размера зерна феррита после отжига по различным режимам.
Видно, что повышение температуры отжига от 800 до 850С и скорости движения полосы от 1 до 2 м/сек приводит к увеличению ВН-эффекта на 10-15 Н/мм2, что обусловлено, по-видимому, как растворением частиц NbC (которая начинается при температуре отжига ТотЖ 850С), так и ускоренным охлаждением (при УПОЛосы 2 м/сек), способствующим повышению содержания углерода в твердом растворе. Вместе с тем, эти же факторы обуславливают рост площадки текучести, которая может целиком не устраняться при дрессировке.
Результаты исследований микроструктуры показали, что размер зерна феррита после отжига по различным режимам Отличается незначительно.
Очевидно, что одной из основных рекомендаций по технологическим параметрам производства является обеспечение равномерного химического состава стали по объему всей плавки. Это должно достигаться оптимизацией технологии выплавки, вакуумирования и непрерывной разливки.
Повышение температуры смотки горячекатаной полосы в рулон до 730-750Сявляется одним из резервов укрупнения зерна, более полного удаления примесей внедренияиз твердого раствора (в количестве, требуемом для обеспечения определенной величины ВН эффекта и для отсутствия склонности к естественному старению). Это обеспечиваетснижение предела текучести и отсутствие склонности к старению.
Повышение температуры отжига в агрегате цинкования до 850С и увеличениевыдержки при этой температуре может привести к некоторому увеличению размера зерна иснижению предела текучести, что положительно влияет на штампуемость.
Таким образом, в процессе лабораторных и промышленных исследованийустановлено, что основными технологическими параметрами, влияющими на величину ВН эффекта для стали определенного химического состава, являются температура смоткигорячекатаной полосы в рулон, температура отжига и скорость движения полосы в агрегатецинкования. Оптимальный комплекс механических свойств (аод 200МПа, ст„ 300МПа,54 40%, гт 1,6 и ВНг 40МПа) после обработки в АНГЦ может быть получен приследующем режиме: Тсм =730-750С; To=850C; УПОЛосы 2 м/с.На втором этапе работы в ОАО «ММК» была изготовлена установочная партиягорячеоцинкованной автолистовой стали.: с ВН-эффектом класса прочности К220.Химический состав данной партии приведен із табл. 4.7.
Горячая прокатка проводилась при температуре конца прокатки Ткп = 920 - 925 С, температуре смотки Тсм = 680 - 690С.
После травления и холодной прокатки с обжатием 62,5% (3,2 - 1,2мм) полосы обрабатывали в агрегате цинкования, задавая температуру отжига в интервале 840 - 850С при скорости движения полосы 1,0 м/сек, степень обжатия при дрессировке - 0,9-1,0 %.
Результаты механических испытаний показали, что полученный горячеоцинкованный прокат из стали 006/IF-BH соответствует требованиям ТС. 14-101-517-2003, классу прочности 220 по всем показателям кроме предела текучести, значения которого ниже требуемых. Фактические значения механических свойств составили:степени обжатия при последующей дрессировке была произведена оценка механических свойств непосредственно после отжига. Результаты испытаний приведены в табл. 4.8 (поперечные образцы). Видно, что с повышением температуры отжига происходит некоторое увеличение площадки текучести.
