Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогресс мирового автомобилестроения ставит перед разработчиками автомобильной стали задачи уменьшения массы автомобиля, снижения затрат на его производство, повышения степени безопасности при эксплуатации транспортного средства. Эти задачи решаются путем освоения производства высокопрочной автолистовой стали новых классов, типов и марок. В настоящее время наблюдается быстрый рост производства и потребления холоднокатаных высокопрочных сталей с пределом текучести 380-420 МПа и более, в первую очередь, для энергопоглощающих элементов конструкции автомобиля (поперечная балка, лонжероны, некоторые узлы усиления конструкции и т.д.).
Наиболее широкое применение для указанных целей находят низколегированные стали с традиционными механизмами упрочнения (измельчение зерна, дисперсионное твердение и твердорастворное упрочнение), а также перспективные двухфазные и трип-стали, где прочность обеспечивается присутствием упрочняющих фаз - мартенсита, бейнита, остаточного аустенита. Перспективные стали имеют более высокие показатели пластичности, коэффициента деформационного упрочнения, некоторых других характеристик, однако их производство требует специального оборудования. Низколегированные стали можно получать на стандартном сталеплавильном, прокатном и термическом оборудовании, которое имеется на большинстве металлургических предприятий. Поэтому проведение работ, направленных на повышение комплекса свойств, в первую очередь, пластичности, а также стабильности прочностных характеристик холоднокатаных высокопрочных низколегированных сталей с традиционными механизмами упрочнения, является актуальным.
Целью настоящей работы являлось установление закономерностей формирования структуры и свойств холоднокатаного проката из высокопрочных низколегированных сталей, разработка химического состава и технологических решений для получения проката с пределом текучести до 380- 420 МПа и более, с показателями пластичности и стабильности прочностных характеристик, превосходящими существующие аналоги.
В работе решались следующие задачи:
Исследование влияния химического состава, технологических параметров горячей и холодной прокатки, рекристаллизационного отжига в колпаковых печах на структуру и свойства холоднокатаного проката.
Разработка металловедческих подходов к управлению типом, количеством и морфологией выделений избыточных фаз (карбонитридов микролегирующих элементов, сульфида марганца, комплексных выделений
цементита на выделениях других избыточных фаз и др.), формированием структуры и свойств применительно к технологическим возможностям ОАО «Северсталь».
3. Разработка рекомендаций по оптимальному химическому составу и параметрам сквозной технологии. Выпуск опытных и промышленных партий проката с пределом текучести 380-420 МПа и более с обеспечением высоких показателей пластичности и стабильности прочностных характеристик (диапазона значений для каждого класса прочности).
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты:
Установлены принципиальные различия условий упрочнения путем измельчения зерна и дисперсионного твердения для холоднокатаного и для горячекатаного проката из низколегированной стали. Для холоднокатаного проката на стадии горячей прокатки наиболее важной задачей является не достижение эффективного измельчения зеренной структуры и дисперсионного твердения, а получение необходимых показателей количества и морфологии частиц избыточных фаз, которые вместе с режимами холодной прокатки и отжига определяют структуру и свойства холоднокатаного проката. В отличие от горячекатаного проката, к основным типам частиц, определяющим свойства холоднокатаного проката, помимо карбо-нитридов микролегирующих элементов (титана, ниобия и ванадия) относятся сульфид марганца, а также выделения цементита.
Показано, что размер зерна в холоднокатаном прокате определяется общим количеством частиц со средним размером 0,1-0,3 мкм, которые являются центрами зарождения новых зерен при рекристаллизационном отжиге. К основным типам таких частиц относятся карбонитрид ниобия, содержание которого помимо химического состава, зависит от температурных параметров горячей прокатки, а также сульфид марганца, содержание которого определяется содержанием серы. Суммарное содержание указанных частиц не менее 0,05 % (вес.) достаточно для получения в холоднокатаном прокате размера зерна не более 5-7 мкм.
Показано, что параметром, определяющим степень развития дисперсионного твердения при выделении наноразмерных (в среднем 10 нм) частиц карбонитрида ниобия в процессе охлаждения смотанного рулона, является температура конца прокатки: ее увеличение от 820 до 860-880 С приводит, при соблюдении определенных условий, в частности, при температурах смотки более 560 С, к повышению предела текучести и прочности, в среднем, на 10-15 МПа, что связано с повышением степени пересыщения твердого раствора перед смоткой.
Установлен дополнительный механизм упрочнения холоднокатаного проката из низколегированных сталей путем формирования упрочняющей
фазы - комплексных частиц размерами 0,5-1 мкм, образующихся при осаждении цементита на частицах других избыточных фаз со средним размером 0,1-0,3 мкм, в частности, на частицах сульфида марганца. Реализация данного механизма путем регламентации содержания серы в интервале 0,010-0,015 % и использования замедленного охлаждения после отжига позволяет получить требуемый уровень прочности проката с пределом текучести 320-340 МПа при низком содержании ниобия (не более 0,020-0,030 %).
5. Показана возможность повышения комплекса свойств холоднокатаного проката с пределом текучести 380-420 МПа путем формирования в процессе замедленного охлаждения после отжига при температурах выше 570-580 С комплексных выделений размерами до 50 нм, образующихся при осаждении цементита на наноразмерных (10 нм) частицах кар-бонитрида ниобия, вызывающих дисперсионное твердение. Укрупнение исходных частиц приводит к незначительному снижению прочности, но существенно повышает пластичность.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработаны технологические рекомендации по оптимальным системам легирования и технологическим параметрам производства высокопрочного холоднокатаного проката из низколегированных сталей разных классов прочности, в том числе с пределом текучести не менее 380-420 МПа, с показателями пластичности и стабильности прочностных характеристик выше, чем у существующих аналогов.
Рекомендации работы использованы при выпуске на ЧерМК ОАО «Северсталь» опытных и промышленных партий проката, в том числе, из стали HC380LA, в объеме более 3800 т. Экономический эффект составил 17,3 млн. руб.
На защиту выносятся следующие положения:
Способы управления структурой и свойствами холоднокатаных высокопрочных низколегированных сталей, получаемых при использовании рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, в том числе путем формирования выделений избыточных фаз оптимальной морфологии на разных этапах технологии.
Обоснование оптимальных систем легирования, температурных режимов прокатки и смотки горячекатаного подката, холодной прокатки и рекристаллизационного отжига в колпаковых печах холоднокатаного проката, в том числе, с пределом текучести 380-420 МПа и более для обеспечения оптимального вклада в упрочнение механизмов измельчения зерна и дисперсионного твердения.
Обоснование оптимальных параметров сквозной технологии для формирования комплексных частиц благоприятной морфологии, образую-
щихся при осаждении цементита на выделениях избыточных фаз и обеспечивающих сочетание наиболее высокой прочности и пластичности.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на школе-семинаре «Нанотехнологии производству 2009», МИСиС, г. Москва, 21-26 сентября 2009 г., II Конференции молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», г. Москва, 8-9 декабря 2010 г., III научно-технической конференции по термической обработке «Новые стали для машиностроения и их термическая обработка», г. Тольятти, 13-15 апреля 2011 г.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 статьях, из них 2 статьи в журнале из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 32 таблицы. Список использованной литературы включает 97 наименований отечественных и зарубежных авторов.
