Управление структурой и свойствами горячекатаных высокопрочных низколегированных сталей для автомобилестроения

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 колее, диагональные рычаги подвески, рамы).

Для указанных целей применяют низколегированные стали с традиционными механизмами упрочнения (измельчение зерна, дисперсионное твердение и твсрдорастворпос упрочнение), а также перспективные двухфазные и трип-стали, где прочность обеспечивается присутствием в ферритпой матрице упрочняющих фаз — мартенсита, бейнита и других. При близком уровне прочности пластичность и штамнуемость 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 па большинстве металлургических заводов. Сказанным определяется акгуальность 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 10 149−2 для сталей марок S460MC и S500MC, но с более узкими диапазонами ирочносчиых характеристик и более высокой пластичностью.

В работе решались следующие задачи:

I. Определение систем легирования стали и ключевых параметров производства, контролирующих комплекс свойств высокопрочного горячекатаного проката из низколегированных сталей па основе термодинамического анализа условий выделения и растворения частиц, влияющих на свойства.

2. Разработка способов управления типом, количеством и морфологией частиц, формированием структуры и свойств горячекатаного проката из низколегированных сталей применительно к технологическим возможностям ЧерМК ОАО «Северсталь».

3. Разработка рекомендаций по оптимальному содержанию основных легирующих, микролегирующих и примесных элементов, тсмпсратурно-временным параметрам нагрева под прокатку, горячей прокатки, охлаждения 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:

1. Обоснованы условия упрочнения, связанного с измельчением зерна, степень которого определяется количеством и составом частиц карбонитрида ниобия, выделяющихся при горячей прокатке и подавляющих рекриеталлизациоппые 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, по не более чем на 50−70 °С. Эффективность измельчения зерна снижается при увеличении содержания азота в карбопитриде ниобия. Поэтому химический состав должен обеспечить связывание азота, преимущественно в нитрид титана или алюминия.

2. 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.

3. 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 Ткп = 845: Ь 15 °C, для проката толщиной 6 мм Ткп = 820 ± 15 °C;

Температура смотки 'I см = 550 ± 20 °C.

4. При прокатке в верхней температурной области чистовой группы клетей в поверхностных слоях происходит выделение частиц карбида ниобия, приводящее к уменьшению содержания углерода в твердом растворе. Возникающий градиент концентрации по толщине проката вызывает диффузию углерода из центральных зон, где формируется крупнозернистая структура с низкой прочностью и пластичностью. Неравномерность химического состава, структуры по толщине полосы предотвращается уменьшением температуры начала прокатки в чистовой группе ниже 980−1000 °С, а также перераспределением обжатий по клетям, увеличением скорости прокатки.

5. Для используемой технологической схемы микролегировапие ванадием не приводит к измельчению зерна, так как выделение его частиц начинается ниже температур 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 па выделившихся ранее частицах карбонитрида ниобия.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработаны технологические рекомендации по оптимальным системам легирования и технологическим параметрам производства высокопрочного горячекатаного проката толщиной 2−3,5 и б мм из низколегированных сталей с пределом текучести не менее 460−500 Н/мм2. Применительно к возможностям оборудования ЧерМК ОАО «Северсталь» наиболее высокий и стабильиый комплекс свойств обеспечивается при среднем содержании 0,09% С- 0,30% Si- 0,015% Ti, 0,07% Nb, азота не более 0,009%, марганца от 0,8 до 1,4% в зависимости от требуемой прочности. Определены оптимальные значения технологических параметров, которые различаю тся в зависимости от толщины проката.

2. Рекомендации работы использованы при выпуске па ЧерМК ОАО «Северсталь» опытных и промышленных партий проката, в том числе из стали марки S500MC в объеме более 7500 т.

На защиту выносятся следующие положения:

• Способы управления структурой и свойствами горячекатаных высокопрочных низколегированных сталей.

• Оптимальный химический состав 0,08 — 0,11% С- 0,25 — 0,45% Si- 1,0 — 1,2% Мп- 0,030 — 0,060% А1- 0,010 — 0,025% Ti- 0,060 — 0,080% Nb и не более 0,010% N. Для проката толщиной 6 мм содержание марганца 1,4—1,6%.

• Оптимальная температура нагрева слябов под прокатку — 1200 °C, для проката толщиной 2,0 — 3,5 мм температура конца прокатки Ткп = 845 ± 15 °C, для проката толщиной 6 мм Ткп = 820 ± 15 °C, температура смотки Тем = 550 ± 20 °C.

• Карбоиитрид ниобия следует полностью растворять при нагреве под прокатку. Азот должен быть связан преимущественно в карбоиитрид титана.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международной конференции «Материалы в автомобилестроении», г. Тольягги, 2008 г., школе-семинаре «Напотсхиологии производству 2009», МИСиС, г. Москва, 21−26 сентября 2009 г.;

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 статьях, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, получен 1 патент.

выводы.

1. Разработаны способы управления структурой и свойствами горячекатаных высокопрочных низколегированных сталей для автомобилестроения, получаемых прокаткой на непрерывных широкополосных станах, путем регулирования вклада в прочностные характеристики различных механизмов упрочнения (гвердорастворное, измельчение зеренной сгруктуры, дисперсионного твердения). Показана ключевая роль в формировании структуры и свойств условий выделения частиц микролегирующих элементов, зависящих от химического состава и технологических параметров нагрева, горячей прокатки и смотки горячекатаных полос, оптимальные значения которых для заданного класса прочности можно определить при использовании методов термодинамического анализа.

2. Расчетами температурных зависимостей равновесий в многокомпонентных твердых растворах железа с С, N, V, Nb, Ti, А1 для различных вариантов химического состава установлены границы растворения и выделения карбидов, нитридов, карбо нитридов микролегирующих элементов, оказывающих влияние на свойства высокопрочных низколегированных сталей. Сопоставлением границ растворимости карбонитридов ванадия, ниобия, титана с термовремеппым циклом горячей прокатки, возможным па стане «2000», установлено оптимальное микролегированис сталсй для получения горячекатаного листа с пределом текучести 460 II/мм2 и более при толщине 2−6 мм. Показано, что азот должен быть связан в карбопитрид титана, сохраняющийся выше температур нагрева сляба под прокатку, карбид ниобия следует при этом полностью растворять с целыо его последующего выделения при прокатке для подавления рекристаллизациопиых процессов и измельчения зерна, а также при дисперсионном твердении после смотки. Использовать ванадий для этих составов и толщин пе целесообразно, так как он выделяется ниже температур прокатки, большей частью па частицах карбонитрида ниобия, выделившихся рапсе.

3. Варьированием состава промышленных плавок, комплексным исследованием сгруктуры и свойств полученного проката проверены и предложены принципы микролегирования и откорректированы допустимые диапазоны температур прокатки и смотки для обеспечения заданного уровня свойств. Показано, что увеличение температуры конца прокатки снижает упрочнение за счет измельчения зерна, но повышает интенсивность дисперсионного твердения при обеспечении определенных значений температуры смотки. Варьируя температуру конца прокатки, можно управлять вкладом этих механизмов упрочнения.

4. Важным параметром, определяющим, наряду с температурой конца прокатки, возможность дисперсионного твердения, является температура смотки. Температура смотки выше оптимальных значений приводит к выделению более крупных частиц и ослаблению дисперсионного твердения. Низкая температура смотки также не обеспечивает достаточного дисперсионного твердения из-за подавления диффузионных процессов при охлаждении смотанного рулона. Оптимальное сочетание температурных параметров конца прокатки и смотки, которое обеспечивает эффективное упрочнение путем измельчения зерна и дисперсионного твердения проката с пределом текучести не менее 460−500 Н/мм", а также равномерность свойств по длине горячекатаной полосы: для проката толщиной 2 — 3,5 мм температура конца прокатки Ткп = 845 db 15 °C, для проката толщиной 6 мм Ткп = 820 ± 15 °Соптимальная температура смотки Тем = 550 ± 20 °C.

5. При прокатке в верхней температурной области чистовой группы клетей в поверхностных слоях может происходить выделение частиц карбида ниобия с уменьшением содержания углерода в твердом растворе. Возникающий градиент концентраций углерода в твердом растворе, но толщине проката вызывает диффузию углерода из центральных зон, где в результате этого формируется крупнозернистая структура с низкой прочностью и пластичностью. Неравномерность химического состава, структуры и свойств по толщине полосы предотвращается снижением температуры начала прокатки в чистовой группе ниже 980−1000 °С, а также перераспределением обжатий по клетям, увеличением скорости прокатки.

6. Предложены огггимальпое микролсгировапис стали и режимы прокатки, обеспечивающие механические свойства горячекатаного листа толщиной 2−6 мм на уровне нормативных требований к прокату с пределом текучести пс менее 460−500 Н/мм2, и высокой пластичностью. Рекомендации работы использованы при выпуске на ЧерМК ОАО «Северсталь» опытных и промышленных партий проката, в том числе из стали марки S500MC в объеме более 7500 т.