Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из основных направлений повышения потребительских свойств холоднокатаного проката из автолистовых сталей является обеспечение все более высоких показателей штампуемости. Несмотря на освоение производства сверхнизкоуглеродистых сталей, основной маркой высокоштампуемых сталей по-прежнему остается низкоуглеродистая сталь типа 08Ю. Она находит широкое применение для изготовления лицевых деталей кузова автомобиля, таких как крылья, панель капота, панель крышки багажника, передняя и задняя панель, панель пола, боковина.
За последние 20-30 лет, благодаря проведению ряда научных и технологических работ, удалось существенно повысить уровень показателей штампуемости холоднокатаного проката из стали 08Ю, освоить производство проката наиболее высоких категорий вытяжки с низким пределом текучести. В то же время, в первом десятилетии двадцать первого века в отдельные периоды стали возникать проблемы, связанные с резким снижением показателей штампуемости отдельных партий проката, в частности, с получением более высоких значений предела текучести и более низких значений относительного удлинения, чем требуемые для стали высших категорий вытяжки ВОСВ и ВОСВ-Т.
Наблюдаемые отклонения свойств могут быть связаны с коренными изменениями металлургических технологий, которые привели к снижению содержания азота и серы в стали. Эти изменения могут оказывать влияние на условия образования, количество и морфологию выделений избыточных фаз - нитрида алюминия и сульфида марганца – основного фактора структурообразования в рассматриваемых сталях. Этим определяется актуальность работы, направленной на исследование закономерностей формирования структуры и свойств проката из низкоуглеродистых сталей, а также оптимизацию технологических параметров производства для повышения показателей штампуемости стали с различным содержанием серы и азота.
Целью настоящей работы являлось установление закономерностей формирования структуры и свойств холоднокатаного проката из низкоуглеродистых автолистовых сталей, определяемых, в частности, кинетикой выделения нитрида алюминия и сульфида марганца, а также оптимизация технологических параметров производства для повышения показателей штампуемости на современном этапе развития металлургических технологий - при снижении содержания в стали серы и азота.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Определить закономерности влияния количества и морфологии выделений сульфида марганца и нитрида алюминия на формирование микроструктуры стали 08Ю.
2. Провести исследование формирования выделений нитрида алюминия и сульфида марганца в низкоуглеродистой стали типа 08Ю с различным содержанием фазообразующих компонентов на разных этапах производственного цикла.
3. Изучить влияние химического состава и технологических параметров производства на характеристики выделений избыточных фаз – нитрида алюминия и сульфида марганца, микроструктуру и показатели штампуемости холоднокатаного проката из низкоуглеродистых сталей с различным содержанием серы и азота.
4. Определить оптимальный химический состав стали и рациональные технологические параметры производства для обеспечения наиболее высоких показателей ее штампуемости.
5. Провести опробование промышленного производства холоднокатаного проката на основе установленных закономерностей.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты:
1. Установлено ключевое влияние на структуру и свойства холоднокатаного проката из низкоуглеродистых сталей условий выделения, количества и морфологии нитрида алюминия и сульфида марганца, которые, в свою очередь, зависят от содержания азота и серы в стали. При снижении содержания азота и серы в стали ниже определенных пределов требуется корректировка технологических параметров, без которой может происходить не повышение, а снижение показателей штампуемости из-за формирования частиц избыточных фаз неблагоприятной морфологии.
2. Показано, что размер зерна феррита в холоднокатаном прокате определяется количеством частиц нитрида алюминия и сульфида марганца размерами 0,1-0,3 мкм, которые, являясь центрами зарождения новых зерен при рекристаллизационном отжиге, приводят к измельчению зерна в холоднокатаном прокате. Форма зерна в холоднокатаном прокате определяется возможностью выделения мелкодисперсных (~ 80 нм) частиц нитрида алюминия на начальных стадиях рекристаллизации при отжиге, что, в свою очередь, зависит от содержания азота в твердом растворе перед началом отжига, с увеличением которого (особенно более 12 ppm) зерно становится вытянутым, что приводит к повышению штампуемости.
3. К уменьшению количества частиц нитрида алюминия, выделяющихся в подкате, и к сохранению азота в твердом растворе в концентрации не менее 12 ppm приводят: снижение содержания азота и алюминия в стали, повышение температуры конца прокатки свыше 840-860 С, снижение температуры смотки до 530-560 С, ограничение обжатия в последней клети степенью не более 13 %, уменьшение времени после окончания прокатки до начала ускоренного охлаждения, повышение скорости прокатки в чистовой группе клетей. При сохранении достаточного количества азота в твердом растворе подката более полное выделение частиц нитрида алюминия в холоднокатаном прокате на начальных стадиях рекристаллизации обеспечивается при продолжительности нагрева в интервале температур 450-500 С не менее 4-х ч. Уменьшение содержания азота в стали с 0,004-0,006 % до 0,002-0,003 % приводит к существенному снижению температуры начала выделения нитрида алюминия при горячей прокатке. При этом требуемый уровень содержания N в твердом растворе подката можно получить не только при условии Al/N =6-10, но и при более высоком значении Al/N.
4. Показано, что при снижении содержания серы в стали до 0,010-0,015 % может наблюдаться снижение штампуемости. Это вызвано растворением значительной доли сульфида марганца при нагреве под прокатку и последующим его выделением при горячей прокатке. Количество и морфология частиц MnS, выделяющихся при прокатке, зависят от параметров прокатки в черновой группе клетей и охлаждения на промежуточном рольганге. Повышение температуры окончания прокатки в черновой группе клетей до 1100 С и более, а также использование теплозащитных экранов при охлаждении раскатов на промежуточном рольганге приводят к уменьшению количества и увеличению размеров формирующихся частиц сульфида марганца (более 0,3 мкм), что предупреждает чрезмерное измельчение зерна и повышение предела текучести.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработаны технологические рекомендации по оптимальным химическому составу и технологическим параметрам производства холоднокатаного проката из низкоуглеродистых сталей типа 08Ю в зависимости от содержания в стали серы и азота, обеспечивающие достижение наиболее высоких показателей штампуемости, повышение выхода проката наиболее высоких категорий вытяжки – ВОСВ, ВОСВ-Т и ВОСВ-ТМ с 40 до 61 %. Разработанные рекомендации защищены патентами РФ № 2239500 (RU), № 2309990 (RU), № 2379361 (RU).
2. Рекомендации работы внедрены на ЧерМК ОАО «Северсталь» и используются при выпуске промышленных партий низкоуглеродистых сталей типа 08Ю. При переработке металла в ОАО «АвтоВАЗ» и на других автомобилестроительных предприятиях отмечены высокий комплекс механических характеристик и соответствие требованиям нормативно-технической документации к сталям наиболее высоких категорий вытяжки.
3. Результаты работы носят универсальный характер и могут найти применение при разработке технологий производства сталей, свойства которых зависят от выделений небольших количеств избыточных фаз на определенных этапах обработки.
На защиту выносятся следующие положения:
- Способы управления выделениями частиц сульфида марганца и нитрида алюминия, структурой и свойствами холоднокатаного проката из низкоуглеродистой стали типа 08Ю, получаемого при использовании рекристаллизационного отжига в колпаковых печах.
- Обоснование оптимального химического состава низкоуглеродистой стали типа 08Ю с различным содержанием серы и азота на современном этапе развития металлургических технологий для обеспечения наиболее высоких показателей штампуемости холоднокатаного проката.
- Обоснование оптимальных режимов горячей прокатки слябов в черновой и чистовой группах клетей непрерывных широкополосных станов, ускоренного охлаждения, смотки горячекатаных полос в рулоны, рекристаллизационного отжига холоднокатаного проката в колпаковых печах для стали типа 08Ю с различным содержанием серы и азота.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 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 шести статьях, из них две статьи в журналах из перечня ВАК, получено пять патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 26 таблиц. Список использованной литературы включает 122 наименования отечественных и зарубежных авторов.
