Введение к работе
Актуальность проблемы
В последние годы особую актуальность приобретают работы, направленные на повышение прочности автолистовых сталей, позволяющее уменьшить массу автомобиля, снизить расход топлива, повысить безопасность. На сегодняшний день наблюдается быстрый рост производства и потребления горячекатаных высокопрочных сталей с пределом текучести не менее 460-500 Н/мм2 для энергопоглощающих элементов конструкции (балки, перекладины, диски колес, диагональные рычаги подвески, рамы).
Для указанных целей применяют низколегированные стали с традиционными механизмами упрочнения (измельчение зерна, дисперсионное твердение и твердорастворное упрочнение), а также перспективные двухфазные и трип-стали, где прочность обеспечивается присутствием в фер-ритной матрице упрочняющих фаз -мартенсита, бейнита и других. При близком уровне прочности пластичность и штампуемость у перспективных сталей несколько выше, однако они требуют более высокой культуры производства, а в большинстве случаев и наличия специального оборудования, в то время как низколегированные стали можно получать на стандартном оборудовании, которое имеется на большинстве металлургических заводов. Сказанным определяется актуальность работы по повышению пластичности и штампуемости низколегированных сталей с традиционными механизмами упрочнения путем управления формированием структуры и свойств в процессе производства.
Целью настоящей работы являлась разработка и освоение на ЧерМК ОАО «Северсталь» технологии производства высокопрочного горячекатаного проката из низколегированных сталей с пределом текучести не менее 460-500 Н/мм2 с комплексом свойств в соответствии с EN 10149-2 для сталей S460MC и S500MC, но с более узкими диапазонами прочностных характеристик и более высокой пластичностью.
В работе решались следующие задачи:
Определение систем легирования стали и ключевых параметров производства, контролирующих комплекс свойств высокопрочного горячекатаного проката из низколегированных сталей на основе термодинамического анализа условий выделения и растворения частиц, влияющих на свойства.
Разработка способов управления типом, количеством и морфологией частиц, формированием структуры и свойств горячекатаного проката из низколегированных сталей применительно к технологическим возможностям ЧерМК ОАО «Северсталь».
Разработка рекомендаций по оптимальному содержанию основных легирующих, микролегирующих и примесных элементов, температурно-временным параметрам нагрева под прокатку, горячей прокатки, охлаж-
дения и смотки полос в рулоны. Выпуск опытных и промышленных партий металлопродукции с обеспечением требуемого комплекса механических свойств.
Научная новизна. В результате проведенного термодинамического анализа условий выделения и растворения частиц избыточных фаз в высокопрочных низколегированных сталях, исследований формирования структуры и свойств на всех этапах технологии получены следующие новые результаты:
Обоснованы условия упрочнения, связанного с измельчением зерна, степень которого определяется количеством и составом частиц карбонитри-да ниобия, выделяющихся при горячей прокатке и подавляющих рекристал-лизационные процессы. В свою очередь они зависят от химического состава стали, полноты растворения частиц при нагреве под прокатку и температурно-деформационных параметров горячей прокатки. Показано, что температура нагрева под прокатку должна быть выше значения температуры полного растворения частиц, содержащих ниобий и ванадий, определенного методами термодинамического анализа, но не более чем на 50-70 С. Эффективность измельчения зерна снижается при увеличении содержания азота в карбонитри-де ниобия. Поэтому химический состав должен обеспечить связывание азота, преимущественно в нитриды титана или алюминия.
Увеличение температуры конца прокатки снижает упрочнение за счет измельчения зерна, но повышает интенсивность дисперсионного твердения при обеспечении определенных значений температур смотки. Варьируя температуру конца прокатки, можно управлять вкладом этих механизмов упрочнения.
Показана экстремальная зависимость прочностных характеристик от температуры смотки (для рассмотренных составов оптимальное значение температуры смотки, обеспечивающее максимальный вклад в упрочнение путем дисперсионного твердения, — 550-570 С). Температура смотки выше оптимальной приводит к выделению более крупных частиц и к ослаблению дисперсионного твердения. Низкая температура смотки также не обеспечивает достаточного дисперсионного твердения, подавляя диффузионные процессы при охлаждении смотанного рулона.
Оптимальное сочетание температурных параметров конца прокатки и смотки, обеспечивающее эффективное упрочнение путем измельчения зерна и дисперсионного твердения: для проката толщиной 2,0-3,5 мм температура конца прокатки Г = 845±15 С, для проката толщиной 6 мм Гп = 820±15 С; температура смотки Гм = 550±20 С.
4. При прокатке в верхней температурной области чистовой группы клетей
в поверхностных слоях металла происходит выделение частиц карбида ниобия,
приводящее к снижению содержания углерода в твердом растворе. Возникаю
щий градиент концентрации по толщине проката вызывает диффузию углеро-
да из центральных зон, где формируется крупнозернистая структура с низкой прочностью и пластичностью. Неравномерность химического состава и структуры металла по толщине полосы предотвращается снижением температуры начала прокатки в чистовой группе ниже 980-1000 С, а также перераспределением обжатий по клетям и увеличением скорости прокатки.
5. Для используемой технологической схемы микролегирование ванадием не приводит к измельчению зерна, так как выделение его частиц начинается ниже температуры окончания прокатки. Кроме того, его эффективность с точки зрения дисперсионного твердения также не велика, так как при охлаждении после прокатки и смотки выделение его частиц происходит в значительной степени на выделившихся ранее частицах карбонитрида ниобия.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработаны технологические рекомендации по оптимальным системам легирования и технологическим параметрам производства высокопрочного горячекатаного проката толщиной 2-3,5 и 6 мм из низколегированных сталей с пределом текучести не менее 460-500 Н/мм2. Применительно к возможностям оборудования ЧерМК ОАО «Северсталь» наиболее высокий и стабильный комплекс свойств обеспечивается при среднем содержании (%): С 0,09; Si 0,30; Ті 0,015, Nb 0,07, азота не более 0,009, марганца 0,8-1,4 в зависимости от требуемой прочности. Определены оптимальные значения технологических параметров, которые различаются в зависимости от толщины проката.
Рекомендации работы использованы при выпуске на ЧерМК ОАО «Северсталь» опытных и промышленных партий проката, в том числе из стали S500MC в объеме более 7500 т.
На защиту выносятся следующие положения:
Способы управления структурой и свойствами горячекатаных высокопрочных низколегированных сталей, получаемых прокаткой на непрерывных широкополосных станах.
Обоснование систем легирования, температур нагрева слябов под прокатку, конца прокатки и смотки горячекатаного проката с пределом текучести 460 Н/мм2 и более, обеспечивающих реализацию оптимального вклада в упрочнение механизмов измельчения зерна и дисперсионного твердения.
Способы предотвращения явления снижения прочности и пластичности металла в результате диффузии углерода от центральных зон к поверхности проката в процессе горячей деформации.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международной конференции «Материалы в автомобилестроении», г. Тольятти, 2008 г., школе-семинаре «Нанотехнологии - производству'2009», МИСиС, г. Москва, 21-26 сентября 2009 г.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в шести статьях, из них три статьи в журналах из перечня ВАК, получен 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 35 таблиц. Список использованной литературы включает 88 наименований отечественных и зарубежных авторов.
