Влияние частиц сульфида марганца и нитрида алюминия на показатели штампуемости холоднокатаной низкоуглеродистой стали

Жиленко, Сергей Владимирович

Металловедение и термическая обработка металлов

автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние частиц сульфида марганца и нитрида алюминия на показатели штампуемости холоднокатаной низкоуглеродистой стали

кандидата технических наук: Жиленко, Сергей Владимирович
город: Москва
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.16.01

Диссертация по металлургии на тему «Влияние частиц сульфида марганца и нитрида алюминия на показатели штампуемости холоднокатаной низкоуглеродистой стали»

Автореферат диссертации по теме "Влияние частиц сульфида марганца и нитрида алюминия на показатели штампуемости холоднокатаной низкоуглеродистой стали"

На правах рукописи

ЖИЛЕНКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЦ СУЛЬФИДА МАРГАНЦА И НИТРИДА АЛЮМИНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ШТАМПУЕМОСТИ ХОЛОДНОКАТАНОЙ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 [;!др гт

Москва - 2012

005013412

Работа выполнена в ОАО «Северсталь» и Центре физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

Научный руководитель: Родионова Ирина Гавриловна,

доктор технических наук, старший научный сотрудник,

Официальные оппоненты: Кудря Александр Викторович,

доктор технических наук, профессор, НИТУ «МИСиС», профессор кафедры металловедения и физики прочности

Настич Сергей Юрьевич кандидат технических наук, ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Московский автомобильно-дорожный

государственный технический университет (МАДИ)

Защита состоится 11 марта 2012 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 217.035.01 ФГУП «ЦНИИчерметим. И.П. Бардина» по адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-ая Бауманская, д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

Автореферат разослан 07 марта 2012 г.

Телефон для справок: +7 (495) 777-93-50

Ученый секретарь диссертационного совета

Наталья Михайловна Александрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из основных направлений повышения потребительских свойств холоднокатаного проката из автолистовых сталей является обеспечение все более высоких показателей штампуемо-сти. 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 частиц 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 ррш) зерно становится вытянутым, что приводит к повышению штампуемости.

ней 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 [А1]/[Ы] =6-10, но и при более высоком значении [А1]/[М].

4. Показано, что при снижении содержания серы в стали до 0,0100,015 % 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 МпБ, 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 (Ш), № 2309990 (Ш), № 2379361 (Ш).

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 ре-кристаллизационного 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и задачи исследования, ее научная новизна и практическая значимость.

Глава 1. Аналитический обзор литературы

В первой главе представлен аналитический обзор литературы по различным аспектам производства и потребления высокоштампуемых низкоуглеродистых сталей для автомобилестроения. Рассмотрено их место среди других низкоуглеродистых сталей, области применения, принципы выбора химического состава и технологических параметров производства, преимущества и недостатки, а также основные направления повышения штампуемости. Показано, что для обеспечения высокой штампуемости основным требованием, предъявляемым к структуре низкоуглеродистой стали, является формирование крупного (номер 6-8 по ГОСТ 5639) и вытянутого зерна. В свою очередь, это определяется морфологией частиц сульфида марганца и нитрида алюминия, выделяющихся на разных этапах технологии. При существующей тенденции к уменьшению содержания серы и азота в стали условия формирования таких частиц

существенно изменяются, что при неизменной технологии производства может привести к снижению штампуемости. В связи с этим возникла необходимость исследовать закономерности формирования указанных частиц с учетом новых технологических возможностей по обеспечению более низкого содержания серы и азота, их влияние на структуру и свойства проката. Обсуждены возможности управления формированием структуры и свойств на всех этапах технологии. Указаны области нерешенных вопросов, сформулированы задачи настоящего исследования.

Глава 2. Материал и методики исследования

Основной объем исследований проводился на металле опытных и промышленных партий проката из стали 08Ю, произведенного на ЧерМК ОАО «Северсталь». Химический состав сталей 11 плавок, на которых исследовали закономерности влияния частиц A1N и MnS на структуру и свойства, приведен в табл.1. Там же приведены данные по содержанию основных элементов в стали двух групп плавок, отличающихся высоким и низким содержанием азота, для которых был проведен сравнительный анализ условий выделения указанных частиц.

Выплавка стали осуществлялась в 350-т конвертере с применением внепечной обработки. Затем металл разливали на МНАЗ в слябы толщиной 250 мм. Горячая прокатка слябов на полосы (горячекатаный подкат) проводилась на непрерывном широкополосном стане 2000, состоящем из пяти клетей черновой группы и семи клетей чистовой группы. Холодная прокатка осуществлялась со степенью обжатия 50-70 % на 5-клетевом непрерывном стане бесконечной прокатки. Рекристаллизационный отжиг проводили в колпаковых печах с водородной защитной атмосферой.

Основными регистрируемыми параметрами, которые могли оказать влияние на формирование структуры и свойств, были температуры нагрева слябов под прокатку (в среднем, 1250-1280 °С), окончания прокатки в черновой группе клетей (Г5), начала и окончания прокатки в чистовой группе (Г6 и Тт, соответственно) и температура смотки (Тш), степень обжатия при холодной прокатке, а также температурно-временные параметры отжига.

Из параметров рекристаллизационного отжига в колпаковых печах (один из наиболее типичных режимов приведен на рис. 1) наибольшее влияние на свойства оказали продолжительность нагрева на промежуточной ступеньке тст, максимальная температура отжига (Ттзх) и продолжительность выдержки при этой температуре ттм. Значения параметров отжига в промышленных условиях приведены в соответствующих разделах.

Основные методы исследования:

- Определение механических характеристик при испытаниях на растяжение по ГОСТ 11701-84 на испытательной машине INSTRON-1185;

- Микроструктурные исследования с использованием оптической (NEOPHOT-21) и электронной (JEM200CX, JEOL JSM-6610LV) микроскопии;

Таблица 1. Химический состав исследованной стали (мае. %)

№ плавки С Мп Р 5 А1 „ общ. А1 «Р N V Ті ыъ Сг № Си

1 0,040 0,010 0,210 0,005 0,018 0,042 0,038 0,0060 0,002 0,002 0,002 0,020 0,010 0,020

2 0,040 0,011 0,200 0,007 0,015 0,051 0,046 0,0040 0,002 0,002 0,002 0,020 0,010 0,030

3 0,040 0,009 0,210 0,007 0,018 0,034 0,029 0,0040 0,002 0,002 0,002 0,030 0,020 0,020

4 0,040 0,010 0,230 0,006 0,016 0,042 0,038 0,0040 0,002 0,002 0,002 0,010 0,020 0,030

5 0,050 0,012 0,190 0,005 0,009 0,050 0,045 0,0040 0,002 0,002 0,002 0,010 0,020 0,030

6 0,040 0,010 0,200 0,009 0,010 0,045 0,040 0,0050 0,002 0,002 0,002 0,030 0,030 0,010

7 0,050 0,010 0,240 0,008 0,015 0,064 0,059 0,0040 0,002 0,002 0,002 0,030 0,030 0,040

8 0,038 0,009 0,162 0,009 0,008 0,043 0,037 0,0042 0,002 0,002 0,002 0,015 0,013 0,017

9 0,040 0,015 0,142 0,006 0,011 0,044 0,039 0,0040 0,002 0,002 0,003 0,012 0,021 0,029

10 0,042 0,010 0,139 0,010 0,015 0,045 0,040 0,0041 0,002 0,002 0,002 0,022 0,024 0,038

11 0,048 0,014 0,180 0,012 0,019 0,033 0,028 0,0039 0,002 0,002 0,002 0,033 0,033 0,058

Плавки 1А - 21А

Мин. 0,030 0,010 0,140 0,005 0,008 0,026 0,023 0,0020 0,002 0,002 0,002 0,010 0,010 0,010

Макс. 0,040 0,020 0,190 0,012 0,014 0,040 0,035 0,0040 0,002 0,002 0,002 0,040 0,030 0,050

Средн. 0,034 0,016 0,170 0,008 0,011 0,035 0,031 0,0030 0,002 0,002 0,002 0,014 0,013 0,024

Плавки 1Б - 15Б

Мин. 0,034 0,008 0,137 0,006 0,008 0,029 0,023 0,0030 0,002 0,002 0,002 0,015 0,014 0,020

Макс. 0,056 0,019 0,187 0,014 0,019 0,051 0,046 0,0069 0,003 0,002 0,002 0,033 0,038 0,051

Средн. 0,046 0,013 0,158 0,009 0,013 0,040 0,036 0,0048 0,002 0,002 0,002 0,022 0,021 0,031

f—— .

820

100----qr--r^----i.

0 -Ц------—-i

0 5 1С 15 20 25 30 35 40

Время, ч

Рис. 1. Режим рекристаллизационного отжига в колпаковых печах

- Определение содержания элементов внедрения [С] и [N] в твердом растворе методом внутреннего трения;

- Расчеты температурно-концентрационных областей существования фаз в исследованных низкоуглеродистых сталях с помощью усовершенствованной версии термодинамической компьютерной модели фазового состава сталей, приведенной в работе [1], которая позволяет при заданных общих концентрациях компонентов, температуре и давлении определить, какие из возможных в рассматриваемой системе фаз находятся в равновесии, рассчитать их количество и химический состав.

- Статистический анализ влияния на свойства параметров химического состава и технологии по методикам, описанным в работе [2] с определением коэффициентов парной корреляции, а также построением регрессионных моделей зависимости свойств от значимых факторов.

Глава 3. Исследование влияния горячей прокатки в чистовой группе клетей непрерывного широкополосного стана и рекристаллизационного отжига на формирование частиц нитрида алюминия, структуру и свойства стали 08Ю с содержанием азота 0,004-0,006 %

В главе 3 приведены результаты исследования закономерностей формирования структуры и свойств стали 08Ю с содержанием азота 0,0040,006 %, влияния параметров горячей прокатки в чистовой группе клетей непрерывного широкополосного стана и рекристаллизационного отжига в колпаковых печах на формирование частиц нитрида алюминия, сформулированы требования к горячекатаному подкату. Основное из них -подавление выделения значительного количества нитрида алюминия в горячекатаном подкате (сохранение азота в твердом растворе). Разработаны рекомендации по оптимальным параметрам прокатки, последующего охлаждения, смотки и отжига.

Первоначально исследовали металл плавки № 1 (см. табл. 1). Варьировали температуру смотки Тш от 530 до 621 "С, степень обжатия в 12-й кле-

ти £12 от 12,6 до 16,77 %, вариант душирования (первыми или последними секциями душирующей установки). В пробах от горячекатаного подката и от холоднокатаного проката определяли характеристики зеренной структуры и механические свойства, в пробах от горячекатаного подката дополнительно определяли содержание азота в твердом растворе.

Показано, что увеличение температуры смотки от 535 до 610 °С приводит к повышению предела текучести в среднем от 163 до 171 Н/мм2. Для подавления диффузионных процессов, приводящих к дополнительному выделению нитрида алюминия в процессе охлаждения смотанного рулона, температура смотки должна составлять 530-560 "С.

Переход от душирования последними секциями душирующей установки к душированию первыми секциями привел к снижению предела текучести в среднем от 173 до 163 Н/мм2, что связано с меньшим выделением нитрида алюминия во временном диапазоне от момента окончания прокатки до начала ускоренного охлаждения. Показано также положительное влияние на свойства увеличения скорости прокатки в чистовой группе клетей, что сокращает время возможного выделения частиц нитрида алюминия.

Для стали с низкой температурой смотки (~ 530 °С) в случае душирования всеми секциями установки наблюдалось снижение содержания азота в твердом растворе при увеличении степени обжатия в 12-й клети (рис. 2). Это связано с ускорением выделения частиц A1N в процессе горячей прокатки и соответствующим обеднением твердого раствора азотом.

С увеличением [N] с 10 до 13 ррш возрастает размер зерна феррита, при этом значение ст02 становится менее 160 Н/мм2 (рис. 3), среднее (по 3-м направлениям) значение г становится более 1,7, значение г на поперечных образцах - более 2,2, отношение ад2/ош - менее 0,58.

Установлено, что размер, степень вытянутости зерна и уровень свойств холоднокатаного проката практически не зависят от размера зерна в горячекатаном подкате (рис. 4), а хорошо коррелируют с содержанием азота в твердом растворе после горячей прокатки (рис. 5).

Степень обжатия в 12-ой клети, %

Рис. 2. Влияние степени обжатия в 12-й клети на содержание азота в твердом растворе горячекатаной полосы

(N1, ррпг

Рис. 3. Зависимость предела текучести холоднокатаного проката от содержания азота в твердом растворе после горячей прокатки: • - Т я 530 °С, О - Т « 600 "С

СМ ' см

Полученные зависимости можно объяснить следующим образом. Из данных, приведенных в главе 1, следует, что в холоднокатаном прокате из высокопрочных низколегированных сталей размер зерна зависит от суммарного количества частиц размерами ОД-0,3 мкм, присутствующих в подкате и, соответственно, в холоднокатаном прокате, независимо от типа частиц, которые являются центрами зарождения новых зерен при рекристаллизационном отжиге холоднокатаного проката. Вероятно, и для холоднокатаного проката из стали 08Ю размер и форма зерна феррита, а также предел текучести, зависят не от размера зерна в горячекатаном подкате, а от количества частиц нитрида алюминия и сульфида марганца размерами 0,1-0,3 мкм, а также от содержания азота в твердом растворе в горячекатаном подкате и, соответственно, в холоднокатаном прокате перед отжигом. Поэтому при разработке оптимальных технологических параметров прокатки в чистовой группе клетей основной задачей является уменьшение количества частиц нитрида алюминия, выделяющихся в подкате и измельчающих зерно в холоднокатаном прокате, и увеличение количества его частиц размерами менее ОД мкм, выделяющихся на начальных стадиях рекристаллизации при отжиге, приводящих к формированию вытянутого зерна и к дополнительному повышению штампуемости стали.

По результатам дополнительного исследования влияния температуры конца прокатки в интервале 845-865 "С на свойства двух плавок № 2 ([А1 кр]/[Ы]=11,5; [С] =0,04 %) и № 3 ([А1кр]/[Ы] =7,3; [С]=0,04 %) показано, что температура конца прокатки при ее изменении в указанных пределах значимо не влияет на структуру и свойства стали, в то время как уменьшение отношения ([А1 ]/[№ ]с 11,5 до 7,3 оказывает положительное влияние - приводит к увеличению размера зерна с 16 до 24 мкм, коэффициента вытянутости с 2,2 до 2,56, снижению предела текучести примерно на 60 Н/мм2. Указанное влияние связано с тем, что в стали плавки № 2 с более высоким содержанием кислоторастворимого алюминия (0,046% вместо 0,029% в плавке № 3) выделение частиц нитрида алюминия в про-

Х/К5 300 мкм2 280

100

110 120 130 140 150 160 170 180,

а, г,„, мкм2

Рис. 4. Размер зерна стали 08Ю в горячекатаном подкате и холоднокатаном прокате: • - Т « 530 °С, О - Г к 600 "С

Э3 Х/К5 ......2

14 15 [N1, рргп

9 10 И 12 13 14 15 Содержание азота, ррт б

Рис. 5. Зависимость размера (а) и степени вытянутости (б) зерна холоднокатаного проката от содержания азота в твердом растворе после горячей прокатки {а- • - Гм а 530 °С, О - Г и 600 °С; для первых секций душирующей установки)

цессе горячей прокатки начинается при более высокой температуре, что приводит к их большему количеству.

Таким образом, для подавления выделения значительного количества частиц нитрида алюминия в подкате и сохранения азота в твердом растворе следует обеспечивать высокую температуру конца прокатки (не менее 840-860 °С), температуру смотки 530-560 °С, ограничивать степень обжатия в последней клети - не более 13 %, уменьшать время после окончания прокатки до начала ускоренного охлаждения, повышать скорость прокатки в чистовой группе клетей. Это обеспечит содержание азота в твердом растворе в подкате не менее 10-12 ррш. Увеличение отношения [А1к ]/[N] до 11,5 привело к снижению штампуемости. Отсюда следует, что для стали со сравнительно высоким содержанием азота целесообразно ограничить верхний предел отношения [AlKp]/[N] - не более 10. Термодинамические расчеты показали, что увеличение содержания кислоторастворимого алюминия от 0,04 до 0,06-0,07 % приводит к уменьшению равновесного содержания азота в растворе при температурах окончания прокатки в 1,5-2,0 раза, т.е. существенно увеличивает термодинамический стимул выделения частиц AIN в процессе горячей прокатки. Снижение значения [AlKp]/[N] менее 6 также недопустимо, так как такая сталь проявляет склонность к старению после дрессировки из-за сохранения в твердом растворе азота, не связанного алюминием.

Анализ влияния режима отжига в колпаковых печах на свойства при близких параметрах горячей прокатки, проведенный для металла плавок №№ 1-7 (см.табл. 1), показал, что снижение времени нагрева металла до начала рекристаллизации (ориентировочно до температуры 450 °С) с 12 до 6,8-7,5 ч приводит к уменьшению предела текучести примерно на 5-10 Н/мм2. Увеличение времени нагрева в интервале 450-500 °С с 3 до 4-5,5 ч приводит к снижению а02 тем в большей степени, чем выше значение [Al ]/[N] (рис. 6, а). Это связано, в первую очередь, с формированием более вытянутого зерна (рис. 6, 6) из-за выделения частиц нитрида алюминия на начальных стадиях рекристаллизации. Таким образом, целесообразно обеспечивать продолжительность нагрева в интервале температур 450-500 °С не менее 4-х ч. На рис. 7 показан вид наноразмер-ных (средний размер 80 нм) частиц нитрида алюминия, выделяющихся на начальных стадиях рекристаллизационного отжига холоднокатаного проката при достаточном количестве свободного азота в подкате, что благоприятно влияет на характеристики структуры (размер и вытянутость фер-ритного зерна) и уровень механических свойств.

Другим условием получения требуемых свойств, в первую очередь относительного удлинения, является полнота протекания рекристаллизации, обеспечиваемая высокими максимальными температурами отжига и продолжительностью выдержки при высоких температурах. Установлено, что при максимальной температуре отжига менее 690 °С и/или при продолжительности выдержки при температурах выше 675 °С менее 4-5 ч для многих партий проката наблюдались пониженные значения от-

"Семоо > ч а

Рис. 6. Влияние продолжительности нагрева в интервале температур 450-500 °С при Г о - 845-870 °С, душирование первыми секциями установки: а - изменение предела текучести; б, в - нагрев в течение 3 и 5 ч соответственно

носительного удлинения, что связано с присутствием в металле участков с нерекристаллизованной структурой.

Таким образом, оптимальные условия отжига проката заключаются в уменьшении продолжительности его нагрева до 450 °С до 6-8 ч, в увеличении продолжительности нагрева металла в интервале температур 450500 "С- не менее 4-х ч. Кроме того, обязательна достаточная продолжительность выдержки при температуре выше 675 °С (по металлу) - не менее 4-5 ч, а также обеспечение максимальной температуры нагрева (по металлу) - не менее 690 °С.

Рис. 7. Наноразмерные выделения АШ (х37 000)

Глава 4. Влияние горячей прокатки в черновой группе клетей и охлаждения металла на промежуточном рольганге на формирование частиц сульфида марганца, структуру и механические свойства холоднокатаного проката из стали 08Ю

Вопрос об условиях выделения частиц MnS, их количестве и морфологии, влиянии на свойства автолистовых сталей до недавнего времени подробно не рассматривался, что было связано со сравнительно высоким содержанием серы - 0,015-0,020% и более, когда снижение содержания серы в стали однозначно приводило к повышению штампуемости. Прогресс металлургических технологий привел к тому, что в стали 08Ю, выпускаемой в настоящее время, для части плавок содержание серы стало ниже - в среднем 0,010-0,015%. Именно на таком металле стали наблюдаться повышенные значения предела текучести из-за меньшего размера ферритного зерна.

Для исследования были выбраны четыре плавки стали 08Ю с различным содержанием марганца и серы (плавки №№ 8-11 - см. табл. 1). Было предусмотрено два варианта нагрева слябов под прокатку: по верхнему пределу температур, что обеспечивает температуру за 5-й клетью в диапазоне Г5=1090—1120 °С) и по нижнему пределу температур (Г5=1060-1090 °С). Для каждого варианта нагрева было предусмотрено два варианта охлаждения раскатов на промежуточном рольганге: с использованием и без использования теплозащитных экранов (энкопанелей) после прокатки в черновой группе клетей стана 2000.

Для стали плавок №№ 8 и 9, имеющих более низкие значения [Mn]x[S], главным образом, из-за более низкого содержания серы, наблюдалось повышение предела текучести холоднокатаного проката при снижении температуры за 5-й клетью (Г5) для вариантов без использования энкопанелей (рис. 8). При этом значение а02 в средней части полос возрастало до 180 Н/мм2 и более вместо 155-166 Н/мм2 для других вариантов указанных плавок (имеющих более высокие значения Г5 и/или предусматривающих использование энкопанелей), что связано с измельчением ферритного зерна, формирующегося при отжиге. Для двух других плавок явно выраженного изменения свойств в зависимости от Т5 не выявлено. Эти плавки отличаются более высокими значениями произведения [Mn]x[S] (рис. 9).

Методами термодинамического анализа были рассчитаны температурные зависимости равновесных концентраций MnS. Результаты приведены на рис. 10.

Сталь плавок №№ 8 и 9 отличалась тем, что при нагреве под прокатку большая часть Мп и S находилась в твердом растворе. Количество MnS при нагреве под прокатку не превышало 21 % от общего количества MnS, которое может образоваться в стали данных плавок (мольная доля не более 0,00004). Выделение большей части MnS (58-66 %) происходило при прокатке в черновой группе клетей. Поэтому скорости охлаждения раскатов при прокатке в черновой группе, общий уровень температур, косвенной характеристикой которого является температура за 5-й клетью Т5, должны

влиять на морфологию выделяющихся частиц MnS. Низкие температуры нагрева под прокатку (соответствующие значениям Ts = 1060-1080 °С) приводят к повышению дисперсности образующихся частиц и, как следствие, к повышению предела текучести холоднокатаного проката из-за измельчения ферритного зерна. Кроме того, в стали этих плавок интенсивное выделение частиц MnS может продолжаться и при охлаждении между черновой и чистовой группами клетей. Поэтому использование энкопанелей явилось положительным фактором, приводящим к укрупнению частиц MnS. Для партий с высоким пределом текучести (более 180 Н/мм2), горячая прокатка осуществлялась после нагрева слябов по нижнему пределу температур и без использования энкопанелей.

Для стали двух других плавок значительная часть MnS (от 44 до 64 %) уже присутствовала в стали при нагреве под прокатку. При прокатке в черновой группе выделяется менее 50 % сульфида марганца, причем его выделение может происходить уже на имеющихся частицах, что может приводить к их укрупнению. Поэтому для таких плавок режим нагрева

195 190 185 iso S ITS 1706 165 160 155 150

MnS - 0.0013 Б« ЖЕспаяеігй

1060 1070 10s0

1090 1100

Т5,°с

ню та изо

195

190 -

1ss -

<м m -

Е 175 -

x 170-

6 165 -

160 -

155 -

150 -

і энкопанелей Г Mn-S - 0,0016

• 5

1060 1070 ws0 1090 1100 1110 1120 1130

Tfi,°c

Рис. 8. Влияние температуры за 5-й клетью на предел текучести холоднокатаного проката из стали 08Ю: а - плавка № 8; б - плавка № 9 (О - начало; • - середина; X - конец полосы)

195 190 -185 " 180 -175 170 165 160 1 155 150

■ сэнкотнеллыи

с энЕотнелями

оез ЭНШШНелеИ X.

Мп-8 - 0.0021

_0_____

с* «

^х X

то 1070 1080 1090 1100 1110 1120 ИЗО Т °С

195

190

185

180

175

X 170

6 165

160 •

150 •

\fa-S - 0.0034

1069 1070 1080 1090 1100 1110 ШО 1130 Т °Г

Рис. 9. Влияние температуры за 5-й клетью на предел текучести холоднокатаного проката из стали 08Ю: а- плавка № 10; б - плавка № 11 (О - начало; • - середина; X - конец полосы)

под прокатку и использование энкопанелей не оказали влияния на конечный уровень свойств.

Таким образом, для стали 08Ю определенного химического состава, в частности, с произведением [Мп]х[5] не более 0,0016 существует возможность укрупнения и снижения количества выделяющихся частиц МпБ путем повышения температур нагрева под прокатку, а также путем использования энкопанелей. Это подтверждено исследованием частиц в просвечивающем электронном микроскопе после растворяющей (для цементита) термической обработки (рис. 11). Выявленные при этом частицы представляют собой МпБ, что было подтверждено расшифровкой

0,00040 0,00035 0,00030 0,00025

Е 0,00020

ч:

| 0,00015 0,00010 0,00005 0,00000

900 1000 1100 1200 1300

Рис. 10. Температурные зависимости равновесного содержания Мпв в стали

дифракционной картины. Они имеют в основном круглую или овальную форму, расположены как по границам, так и внутри ферритных зерен. Наблюдается уменьшение размера частиц МпБ от 0,3-0,4 мкм до 0,1-0,2 мкм при снижении температуры за 5-й клетью менее 1080-1100 °С. Именно для этих вариантов наблюдается уменьшение среднего размера зерна примерно в 1,5 раза (от 30 до 20 мкм для плавки № 8) и повышенные значения предела текучести холоднокатаного проката.

Следовательно, характеристикой, определяющей не столько термодинамику, сколько кинетику выделения МпБ, является соотношение между количеством МпБ, уже присутствующим в стали после нагрева под прокатку, и тем количеством, которое выделяется в процессе прокатки. При оптимальном соотношении (в среднем 30-70 % от общего количества Мп5), обеспечиваемом при значении [Мп]х[5] = 0,0025-Ю,0035) «новый» Мп5 выделяется на уже присутствующих в металле частицах, укрупняя их. При этом количество частиц будет меньше по сравнению с исходным

Рис. 11. Результаты электронномикроскопического исследования частиц МпБ в образцах от раскатов: а-Т5 = 1071 °С, б-Т5= 1127 °С

состоянием, но они будут крупнее, что благоприятно скажется на структуре и свойствах стали.

При большем содержании марганца и серы и, соответственно, большем значении их произведения, доля MnS после нагрева под прокатку может достигать 70 % и более, в связи с чем снижаются возможности исправления морфологии частиц и соответствующего повышения штампуемости. В этом случае основным способом снижения отрицательного влияния частиц MnS на штампуемость является уменьшение содержания серы.

При малом значении произведения [Mn]x[S] (менее 0,0025 и особенно менее 0,020%) при нагреве под прокатку в виде частиц остается менее 20-30 % MnS, и использование приемов, направленных на выделение его остального количества в виде достаточно крупных частиц (обеспечение значения Г5 выше 1080 °С при использовании энкопанелей), для проката высших категорий вытяжки является обязательным.

Глава 5. Ключевые параметры, контролирующие количество и размеры частиц избыточных фаз, структуру и свойства холоднокатаного проката из стали 08Ю

Для установления закономерностей формирования частиц нитрида алюминия в стали с пониженным содержанием азота (0,002-0,003 %) был проведен сравнительный анализ уровня свойств проката из стали 08Ю с содержанием азота 0,002-0,003 % (всего 21 плавка - группа А) и с содержанием азота 0,004-0,006 % (всего 15 плавок - группа Б). Диапазоны изменения содержания элементов в стали приведены в табл. 1. Горячая прокатка и все последующие переделы для производства холоднокатаного проката осуществлялись одинаково по рассмотренным выше технологическим рекомендациям. По результатам сравнительного анализа химического состава сталей групп А и Б установлено, что разброс содержания основных элементов (С, Mn, Si, S, Р, AI), а также среднее содержание всех элементов, кроме Si и Мо в стали группы А ниже, чем группы Б. По пределу текучести требованиям к категории ВОСВ-ТМ соответствует прокат половины плавок группы А и только 20 % плавок группы Б.

Для сравнительного термодинамического анализа условий выделения MnS в сталях групп А и Б были выбраны модельные варианты составов, в которых при среднем значении содержаний остальных элементов назначали следующие значения содержания марганца и серы: 1) Mn- min, S— min; 2) Mn- max, S- min; 3) Mn- min, S- max и 4) Mn- max, S- max, характерные для каждой группы. Кроме того, рассматривались варианты со средними значениями содержания марганца и серы. Для каждого состава были рассчитаны следующие параметры: температура полного растворения сульфида марганца Т, количество (мольная доля) MnS, присутствующего в стали после ее полного охлаждения - МЕ, равновесное количество (мольная доля) MnS при нагреве под прокатку (при 1250 °С) - МП50 и ее процентное содержание по отношению к Mz - D1J50, равновесное со-

сл с

и <

V <

3 а >я а и

о <

£ я т

В <

в Я я о

(ч

о *

и и В"

я я

а <

04 си Н О

о я л

о ш я ?

И <

в И

я Е а к

л н я

£ «

Д-<

1-е

2 со О

К П< Я

!К <

н и в

& СМ г-1 гН гЧ см см ^ч со

ДМпБ при 1100-100<УС ' § ЧО 1Я оч ( г^ 00 о" о г^ о т-< со ю чо N и оС ,—н о Оч гЧ о "ф о) гЧ а\ т к ^ч чо см 00

1Г> ЧО № чо N ,-4 см « го чо 1П о чо 00 ^ч |-( гЧ

В п сг 1Г> Оч щ о* Оч г^ С7\ г^ 04 см СТч 1Л 04 чо 04 00 04 ОЧ

сл о я о §о СМ со ,-ч о" см со тН о чо со см о ЧО со см о ** 00 гЧ о см гН гЧ о ш гЧ ^ч о о со о 1Л со сз ш со «м о

О оч со о СЛ Оч со Оч чо оо со ю ш со со 00 ЧО со г- о \о

&§ ГЛ 1 г-. ЧО см 1П см со со со о чо ^ч со гЧ см со

В 2 1/5 < N гЧ О О "7« 80 N »Н СО Оч О О со г^ о о СО о с> о о оо о о" СЗЧ 00 о о со о о тч см т-Ч С5 со 00 о о ОЧ о о

ли в 'п !* сл о чО 00 00 см 40 со СО 1Л о Оч со 00 гС 00 ю ш СО чо см 00 см Оч" 00 чо ч со 04 00 00 00

СЛ о а г* § ч ^ 3 1Л о 1-4 о г- ,-4 ,-4 о о см о о см о) о чо чо гЧ о Оч 00 о о о о с5 гЧ со о ю со о ш »н N о

Я г, а, и в о % 35*? С5 оч ЧО со 00 00 гЧ со о о ^ 1Л 00 со 1Л *>< • ^ч со см см Оч 1Л гС 1Л со ^ч ^ см гЧ ш

сл ш С N 2 -4 м О ^ г см о <5 о о о «-Ч о со о ч* оо о" ■ см о о о см см о см о см гЧ о

« 00 со тН с? 00 со < о со ^ см о со см о 00 ^ч С5 гЧ см .-ч с5 гЧ см ^ч о см 00 со о см 00 со о N N о

гЧ ЧО см гН чо ст> см ,-ч ^ см со ю чо со г-Ч со см со г^ СО СМ гЧ о 00 см со ^ч ЧО см •н ^ со 1-4

Усл. § .-Ч см со ■ф $ а. и ш 40 00 < V &. и

держание МпБ для температуры окончания прокатки в черновой группе клетей (условно 1100 °С) мпт и £»иоо, количество МпБ, которое выделится во время прокатки в черновой группе клетей (в диапазоне 1250-1100 °С) - ЛМ1250

поо> а£)125о.поо' количество МпБ, которое может выделиться между черновой и чистовой группами клетей, условно, в интервале температур 1100-1000 °С

АМ А О РР-

Ш"1100-1000' "^поо-юоо' 1 е

зультаты приведены в табл. 2 и на рис. 12.

Полученные результаты свидетельствуют, что для диапазона составов, характерных для плавок группы А, три варианта из исследованных четырех имеют значение доли частиц МпБ при нагреве под прокатку, соответствующее оптимальному (от 30 до 70 %). И лишь для одного варианта это значение отличается от оптимального в меньшую сторону (8,7 %). Что касается вариантов плавок группы Б, то лишь один вариант соответствует оптимуму, а остальные отличаются, причем два в меньшую, а один в большую сторону. Также следует отметить, что разброс равновесных значений мольных долей МпБ на вариантах плавок группы Б в два раза боль-

0,000450

«•с

Рис. 12. Температурные зависимости содержания МпБ в стали: а - группа А, б- группа Б

ше, чем на вариантах плавок группы А. Таким образом, химический состав стали 08Ю группы А является более благоприятным и стабильным для получения оптимальной морфологии частиц МпБ и связанного с этим высокого уровня механических характеристик.

Термодинамический анализ условий образования нитрида алюминия в стали 08Ю указанных групп плавок проводили как для модельных, так и для реальных составов. Результаты определения температурной зависимости равновесных долей нитрида алюминия для реальных плавок групп А и Б приведены на рис. 13.

Видно, что плавки группы А характеризуются более низкими по сравнению с группой Б температурами Г, ниже которых раствор становится пересыщенным относительно нитрида алюминия. Соответственно, при

Рис. 13. Температурные зависимости равновесных долей АШ: а - группа А, б- группа Б

температурах окончания прокатки для металла группы А характерны и меньшие значения равновесных долей нитрида алюминия, чем для плавок группы Б. Поэтому, несмотря на более низкое общее содержание азота в стали группы А, снижение Т не только увеличивает равновесное содержание азота в твердом растворе, но и уменьшает стимул реакции образования нитрида алюминия, что обуславливает смещение С-образной кривой к более низким температурам и, следовательно, сохранение А1 и N в твердом растворе. Следовательно, содержание азота в твердом растворе подката зависит не только от отношения [А1к ]/[Ы], но и от абсолютных значений содержания указанных элементов.

Несмотря на более высокое содержание кислоторастворимого алюминия в плавках группы Б (среднее значение 0,040 %, а для плавок группы А -0,035 %), из-за более высокого содержания азота средняя величина отношения [А1кр]/[Ы] для них составляет 9,0, что существенно ниже, чем для плавок группы А -12,8. Интересно, что характер влияния содержания алюминия и отношения [А1к р]/[М] на предел текучести для рассматриваемых массивов оказался противоположным (рис. 14 и 15). Для плавок группы А отмечается уменьшение, а для плавок группы Б увеличение а02 при увеличении [А1кр] и [А! ]/[Ы]. Это подтверждает, что при низком содержании азота (0,002-0,003 %), характерном для большинства плавок группы А, азот в достаточном количестве сохраняется в твердом растворе после горячей прокатки независимо от содержания алюминия в интервале 0,024-0,040 % и отношения [А1]/[Ы] в интервале 6-20. А вот для интенсивного выделения частиц при отжиге стали, которое положительно влияет на ее свойства, требуется сравнительно высокое содержание алюминия - в верхней части рассматриваемого интервала: 0,030-0,040 %, лучше 0,035-0,040 %.

Противоположная зависимость предела текучести от содержания алюминия и от отношения [А1 ]/[Ы ] для проката группы Б связана, в первую очередь, с более высоким содержанием алюминия в стали плавок данной

О, = 173.?fl-403J 'Al„

0.022 0.024 0.026 0.023 0.030 0.032 0 034 0.036 0.038 0.040 0.042

= 166.09 - .5309 * Al^/N

Рис. 14. Зависимость предела текучести <х02: а- от содержания А1кр, б- от отношения [AlKp]/[N] (стали группы А)

группы. При условии [А1кр] < 0,042 % только три точки имеют значение предела текучести более 170 Н/мм2. Выполнение этого условия для всех исследованных плавок группы А является одной из причин (помимо низкого содержания азота и некоторых других примесей) получения более высоких показателей штампуемости по сравнению с металлом группы Б. Поэтому при получении сталей высоких категорий вытяжки выполнение этого условия обязательно.

Таким образом, основным условием обеспечения высоких показателей штампуемости стали 08Ю является обеспечение содержания кисло-торастворимого алюминия в стали в интервале 0,030-0,040 %, для стали с низким содержанием азота оптимально 0,035-0,040 %. Это предупредит формирование избыточного количества субмикронных частиц A1N при горячей прокатке и последующем охлаждении и, следовательно, приведет к требуемому содержанию азота в твердом растворе подката независимо от общего содержания азота в стали, к выделению мелкодисперсных частиц AIN при отжиге и к повышению штампуемости стали. Необходи-

200 190 ISO

ъ 170

сч 160

150 140

0.020 0.032 0.036 0.040 0.044 0.048 0.0S2

0.030 0.034 0.038 0.042 0.046 0.050

AW, %

200 190 180

*s 170

O" 160

150 140

4 6 8 10 12 H 18

*VN

Рис. 15. Зависимость предела текучести а02: а- от содержания [А1кр]; 6 - от отношения [AlKp]/[N] (группа Б)

мость соблюдения условия [AlKp]/[N]=6~10 относится к определенному уровню содержания [N] =0,004-0,006 %. При снижении содержания N до 0,002-0,003 % требуемый уровень содержания N в твердом растворе подката можно получить и при более высоком значении [Al ]/[N].

кр

Глава 6. Результаты внедрения разработанных рекомендаций по оптимальным технологическим параметрам производства холоднокатаного проката из низкоуглеродистой стали.

В главе 6 приведены результаты внедрения разработанных рекомендаций по оптимальным технологическим параметрам для производства холоднокатаного проката из низкоуглеродистой стали на ЧерМК ОАО «Северсталь». Основные характеристики параметров химического состава и механических свойств для 173 плавок, произведенных в соответствии с представленными выше рекомендациями по оптимальным технологическим параметрам горячей прокатки и рекристаллизационного отжига, приведены в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики параметров химического состава и механических свойств проката, произведенного по установленным технологическим параметрам

Плавок Среднее Минимум Максимум Станд. огкл.

С 173 0,0397 0,027 0,055 0,0052

Мп 173 0,1512 0,127 0,191 0,0126

Б 173 0,0131 0,007 0,022 0,0036

А1 173 0,0401 0,026 0,058 0,0050

А1 173 0,0352 0,023 0,052 0,0046

М' 173 0,0048 0,0031 0,0078 0,0009

[МпМБІ 173 0,0020 0,0010 0,0032 0,0005

ГМпМЯ 173 12,5199 6,5455 23,8571 3,8266

[А1]х[Ы] 173 0,0002 0,0001 0,0003 0,0000

[А1ШЫ1 173 8,598 4,359 14,8718 1,9500

аол 173 162,45 143 185 9,0645

б4 173 42,98 40 47 1,3864

Полученный очень высокий уровень показателей штампуемости (среднее значение предела текучести составило 162 Н/мм2, относительного удлинения 43 %) - на уровне категорий вытяжки ВОСВ-Т и ВОСВ-ТМ - свидетельствует о правильности разработанных рекомендаций по оптимальным технологическим параметрам.

Рекомендации работы по оптимальному химическому составу и технологическим параметрам внедрены в ОАО «Северсталь» для производства промышленных партий проката из низкоуглеродистых сталей высоких категорий вытяжки (ВОСВ и ВОСВ-Т), что позволило повысить выход проката указанных категорий с 40 до 61 % от общего объема производства стали 08Ю, а также средний уровень показателей штампуемости (табл. 4).

Таблица 4. Результаты внедрения разработанных рекомендаций

До внедрения После внедрения

Произведено, т Доля, % к общему объему 2 0 , Н/мм 0,2 ср Произве дено, т Доля, % к общему объему 2 а , Н/мм ОДср

50959 40 171 77635 61 162

ВЫВОДЫ

1. Установлены закономерности формирования структуры и свойств холоднокатаного проката из низкоуглеродистых автолистовых сталей, определяемые, в частности, кинетикой выделения нитрида алюминия и сульфида марганца, а также оптимальные параметры химического состава и технологии производства для повышения показателей штампуемости на современном этапе развития металлургических технологий - при снижении содержания в стали серы и азота. Показано, что размер зерна феррита в холоднокатаном прокате после отжига в колпаковых печах

определяется количеством частиц нитрида алюминия и сульфида марганца размерами 0,1-0,3 мкм, которые являются центрами зарождения новых зерен при рекристаллизации. Форма зерна феррита в холоднокатаном прокате зависит от содержания азота в твердом растворе в подкате и, соответственно, в холоднокатаном прокате перед отжигом. Установлено пороговое значение его содержания, обеспечивающее выделение мелкодисперсных (<0Д мкм) частиц нитрида алюминия на начальных стадиях рекристаллизации в количестве, достаточном для формирования вытянутого зерна, и связанного с этим повышения штампуемости проката.

2. Показано, что подавление выделения частиц нитрида алюминия в процессе горячей прокатки и, соответственно, повышение содержание азота в твердом растворе перед отжигом до его порогового значения (не менее 12 ррт), достигается снижением содержания алюминия и азота, повышением температуры конца прокатки до 840-860 "С, снижением температуры смотки до 530-560 °С, ограничением степени обжатия в последней клети непрерывного широкополосного стана величиной не более 13 %, уменьшением временного интервала между окончанием прокатки и началом ускоренного охлаждения, повышением скорости прокатки в чистовой группе клетей. При выполнении указанных условий более полное выделение частиц нитрида алюминия на начальных стадиях рекристаллизации обеспечивается при продолжительности нагрева в интервале температур 450-500 "С не менее 4-х ч. Кроме того, для полного протекания рекристаллизационных процессов и получения высокого комплекса свойств требуется продолжительность выдержки при температуре выше 675 °С не менее 4-5 ч, а также обеспечение максимальной температуры нагрева при отжиге - не менее 690 °С.

3. Установлено, что оптимальное содержание в стали алюминия и марганца зависит от концентрации азота и серы. При снижении содержания азота в стали от 0,004-0,006 % до 0,002-0,003 % оптимальное содержание кислоторастворимого алюминия составляет 0,035-0,040 %. Показано, что выявленная ранее необходимость соблюдения условия [А1 ]/[Ы] =6-10 относится к содержанию азота в диапазоне 0,004+0,006 %. При снижении содержания N до 0,002+0,003 % требуемый уровень содержания N в твердом растворе подката можно получить и при более высоком значении [А1кр]/[М].

4. Показано, что при содержании серы в стали на уровне 0,010^-0,015 % и ниже при нагреве под прокатку происходит растворение значительной доли сульфида марганца, а количество и морфология его частиц, выделяющихся при последующей прокатке, зависят от температурных режимов прокатки в черновой группе клетей и от условий охлаждения на промежуточном рольганге. Повышение температуры прокатки в черновой группе клетей и использование теплозащитных экранов при охлаждении раскатов на промежуточном рольганге приводит к уменьшению количества и увеличению размеров формирующихся частиц сульфида марганца

(свыше 0,3 мкм), что предупреждает чрезмерное измельчение зерна и повышение предела текучести.

5. Разработаны технологические рекомендации по оптимальным химическому составу и технологическим параметрам производства холоднокатаного проката из низкоуглеродистых сталей, обеспечивающим наиболее высокие показатели его штампуемости. Их внедрение на ЧерМК ОАО «Северсталь» для производства промышленных партий проката из низкоуглеродистых сталей высоких категорий вытяжки (ВОСВ и ВОСВ-Т) позволило повысить выход проката указанных категорий с 40 до 61 % от общего объема производства стали 08Ю, а также средний уровень показателей штампуемости, в частности, снижение среднего значения предела текучести со 171 Н/мм2 до 162 Н/мм2.

Список цитированной литературы:

1. Шапошников Н.Г. Термодинамическое моделирование как инструмент совершенствования технологии нагрева слитков стали 12Х18Н10Т под прокатку// Металловедение. 2004. №11. С. 2-9.

2. Мельниченко A.C. Статистический анализ в металлургии и материаловедении. -М.: МИСиС. 2009. С. 267.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Родионова И.Г., Мишнев ПЛ., Жиленко C.B., Быкова Ю.С., Чиркина И.Н., Адигамов P.P., Ефимова Т.М. Металловедческие основы и технологические аспекты получения высокоштампуемых низкоуглеродистых сталей на современном этапе развития металлургических технологий // Проблемы черной металлургии и металловедения. 2011. №4. С. 12 - 28.

2. Родионова И.Г., Мишнев ПЛ., Адигамов P.P., Быкова Ю.С., Жиленко C.B., Мельниченко А.С. Особенности формирования структуры и свойств холоднокатаных низкоуглеродистых сталей для автомобилестроения в зависимости от степени обжатия при холодной прокатке// Металлург. 2012.№ 2.С.

3. Родионова И.Г., Шапошников Н.Г., ЭнЬель Н.И., Могутной Б.М., Жиленко C.B. Условия образования нитридной и сульфидной фаз в сталях для глубокой вытяжки. 4.1. Нитрид алюминия. // Проблемы черной металлургии и металловедения. 2008. №3. С. 60 - 67.

4. Родионова И.Г., Шапошников Н.Г., Эндель Н.И., Могутнов Б.М., Жиленко C.B., Стрижакова Т.И. Условия образования нитридной и сульфидной фаз в сталях для глубокой вытяжки. 4.II. Сульфид марганца. // Проблемы черной металлургии и металловедения. 2008. №4. С. 52 - 58.

5. Чиркина И.Н. Родионова И.Г., Жадановский Э.И., Жиленко C.B., Мишнев ПЛ. Ефимова Т.М., Шапошников Н.Г., Быкова Ю.С. Способы повышения комплекса свойств стали 08Ю, в том числе путем оптимизации режима отжига в колпа-ковых печах: « Новые стали для машиностроения и их термическая обработка». Сб. докл. III науч.-техн. конф. (13-15 апреля 2011, Тольятти). - ОАО «АВТОВАЗ», 2011. С. 57-58.

6. Чиркина И.Н. Родионова И.Г., Жадановский Э.И., Жиленко C.B., Мишнев ПЛ. Ефимова Т.М., Шапошников Н.Г. Металловедческие аспекты повышения комплекса свойств холоднокатаного автолистового проката из микролегированных сталей после отжига в колпаковых печах: « Новые стали для машиностроения и их термическая обработка». Сб. докл. III науч.-техн. конф. ( 13-15 апреля 2011, Тольятти), издание ОАО «АВТОВАЗ», 2011. С. 59-60.

7. Пат. 2239500 РФ, МПК7 В21В1/28. Способ непрерывной холодной прокатки полосы с натяжением /Тишков В.Я., Жиленко C.B. и др. - № 2003113472, заявл. 07.05.2003; опубл.10.11.2004.

8. Пат.№ 2294388 РФ, МПК С21Д9/48, С21Д9/663. Способ отжига холоднокатаных полос /Степаненко В.В., Павлов С.И.Жиленко C.B. и др. - № 2005122370, заявл. 14.07.2005, опубл. 27.02.2007.

9. Пат. № 2309990 РФ, МПК С21Д8/04, С21Д1/26. Способ производства листовой углеродистой стали. ЮрЬин В.Г., Жиленко C.B. и др. - № 2005139102, заявл. 14.12.2005, опубл.10.11.2007.

10. Пат. № 2351412 РФ, МПК В21В1/22. Способ производства стальных холоднокатаных полос. /Степаненко В.В., Павлов С.И.Жиленко C.B. и др. -№ 2007134120, заявл. 12.09.2007, опубл. 10.04.2009.

И. Пат. № 2379361 РФ, МПК С21Д8/04. Способ производства холоднокатаного проката для эмалирования./Мальцев А.Б., Жиленко C.B. и др. - № 2008150913, заявл. 22.12.2008, опубл. 20,01.2010.

Подписано в печать 29.02.12. Формат 60x841/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 110 Отпечатано в ЗАО «Металлургиздат» 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 9/23

Текст работы Жиленко, Сергей Владимирович, диссертация по теме Металловедение и термическая обработка металлов

61 12-5/2045

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», ЧерМК ОАО «Северсталь»

На правах рукописи

ЖИЛЕНКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник Родионова Ирина Гавриловна

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр. 4 8

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Основные требования к высокоштампуемому холоднокатаному прокату 8 и технологическая схема производства

1.2 Влияние режимов рекристаллизационного отжига на свойства 1 \ холоднокатаного проката из низкоуглеродистой стали

1.3 Основные требования к химическому составу стали 08Ю 1 g

1.4 Закономерности формирования частиц A1N на разных этапах производства 24 низкоуглеродистой стали

1.5 Влияние параметров сквозной технологии на формирование частиц 31 сульфида марганца

1.6 Постановка цели и задач работы 39 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 41

2.1 Материал для исследования 4 j

2.2 Методики исследования 43

2.2.1 Методика металлографического исследования микроструктуры 44

2.2.2 Определение концентраций углерода и азота в твердом растворе 45 методом внутреннего трения

2.2.3 Электронномикроскопическое исследование микроструктуры 47

2.2.4 Методика проведения механических испытаний 48

2.2.5 Термодинамический анализ областей существования фаз в сталях 51 типа 08Ю

2.2.6 Методики статистического анализа 52

2.2.6.1 Описательная статистика 52

2.2.6.2 Сравнение средних 52

2.2.6.3 Корреляционный анализ 54 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ В ЧИСТОВОЙ ГРУППЕ 56 КЛЕТЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО СТАНА И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОГО ОТЖИГА НА ФОРМИРОВАНИЕ ЧАСТИЦ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ, СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ 08Ю С СОДЕРЖАНИЕМ АЗОТА 0,004-0,006 %

3.1 Исследование влияния технологии горячей прокатки в чистовой группе 56

клетей, ускоренного охлаждения и смотки горячекатаных полос в рулоны

на показатели штампуемости стали 08Ю

3.2 Влияние режимов рекристаллизационного отжига в колпаковых печах 63

на комплекс механических характеристик стали 08Ю ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ В ЧЕРНОВОЙ ГРУППЕ КЛЕТЕЙ И 71 ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ РОЛЬГАНГЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЧАСТИЦ СУЛЬФИДА МАРГАНЦА, СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО ПРОКАТА ИЗ СТАЛИ 08Ю ГЛАВА 5 КЛЮЧЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ, КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ВИД, КОЛИЧЕСТВО 85 И РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ ИЗБЫТОЧНЫХ ФАЗ, СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО ПРОКАТА ИЗ СТАЛИ 08Ю

5.1 Анализ выделения МпБ и уточнение рекомендаций по химическому составу 86 и параметрам технологии, оптимальным для обеспечения благоприятной морфологии частиц и высокого уровня свойств

5.2 Анализ условий образования нитрида алюминия и уточнение рекомендаций 92 по оптимальным химическому составу и параметрам технологии

для обеспечения благоприятной морфологии частиц и высокого уровня свойств

5.2.1 Термодинамические условия образования нитрида алюминия в 92 стали 08Ю модельных составов

5.2.2 Термодинамический анализ условий образования нитрида 95 алюминия для реальных составов стали 08Ю

ГЛАВА 6 РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО 104 ОПТИМАЛЬНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО ПРОКАТА ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ВЫВОДЫ 107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 109

Введение

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.

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 оптимизация технологических параметров производства для повышения показателей штампуемости стали с различным содержанием серы и азота.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

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 штампуемости.

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.

3. К уменьшению количества частиц нитрида алюминия, выделяющихся в подкате, и к сохранению азота в твердом растворе в концентрации не менее 12 ррш приводят: снижение содержания азота и алюминия в стали, повышение температуры конца прокатки свыше 840860 °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 прокатке на начальных стадиях рекристаллизации обеспечивается при продолжительности нагрева в интервале температур 450-500 °С не менее 4-х часов. Уменьшение содержания азота в стали с 0,004-0,006 % до 0,002-0,003 % приводит к существенному снижению температур начала выделения нитрида алюминия при горячей прокатке. При этом требуемый уровень содержания N в твердом растворе подката можно получить не только при условии АШ =6-10, но и при более высоком значении АШ.

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 последующем его выделением при горячей прокатке. Количество и морфология частиц МпБ, 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:

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.

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.

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Основные требования к высокоштампуемому холоднокатаному прокату и технологическая схема производства

Развитие отечественного и мирового автомобилестроения диктует необходимость повышения качества тонкого стального листа, предназначенного для изготовления лицевых деталей кузова автомобиля [1]. Основным требованием, предъявляемым к таким сталям, является их способность к глубокой вытяжке для изготовления деталей заданной конфигурации с помощью холодной штамповки (штампуемость).

В общем случае, штампуемость характеризует способность металла изменять свою форму при обработке давлением без нарушения сплошности. Штампуемость зависит от качества и физического состояния металла, а именно от химического состава, механических свойств (прочности, пластичности, анизотропии), структуры, склонности металла к старению, микрогеометрии и качества поверхности листового проката, наличия внешних и внутренних дефектов и пр. [2].

Поэтому одним из основных направлений повышения качества 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.

В таблице 1.1 представлены требования основного отечественного нормативного документа ГОСТ 9045-93 [3], к механическим свойствам тонколистовой холоднокатаной низкоуглеродистой стали марки 08Ю в зависимости от категории вытяжки.

С повышением категории вытяжки (ВГ - весьма глубокая, СВ - сложная вытяжка, ОСВ - особо сложная вытяжка, ВОСВ и ВОСВ-Т - весьма особо сложная вытяжка разных уровней) требуется обеспечить более низкие значения предела текучести и более высокие значения относительного удлинения. При этом сталь не должна быть склонной к старению, а также выдерживать технологические испытания, характеризующие штампуемость листа. Для оценки штампуемости листового металла, используемого для сложных деталей, кроме механических свойств, по ГОСТ 11701-84 допускается определение коэффициента нормальной пластической анизотропии г [4]. Под нормальной пластической анизотропией понимают различие свойств в плоскости листа и в перпендикулярном ей направлении.

Таблица 1.1 Требования к механическим свойствам стали 08Ю по ГОСТ 9045-93/

Категория вытяжки Предел текучести Оо,2, Н/мм2 (не более) Пр про1 <?в, I едел 1НОСТИ -[/мм2 Относительное удлинение 84, % (не менее) Твердость (не более)

min шах 0,50-0,69 мм 0,70-1,50 мм 1,51-2,0 мм 2,01-3,20 мм HRT15 (0,50-0,80 мм) HRT30 (0,81-1,70 мм) HRB (1,71-2,0 мм)

ВГ 250 390 26 28 29 30 - - -

СВ 205 250 380 32 34 38 40 78 53 48

ОСВ 195 250 350 34 36 40 42 - - -

ВОСВ 185 250 350 38 40 42 - 76 51 46

ВОСВ-Т 175 250 320 40 42 44 - 75 45 43

Она характеризует сопротивление утонению при вытяжке: чем больше г, тем выше сопротивление утонению и способность к вытяжке [5]. Кроме механических свойств листового металла, необходимо знание предельной степени его деформируемости, которая определяется при технологических испытаниях на перегиб и изгиб, на глубину лунки и др. Наиболее распространенным методом технологических испытаний является метод испытания на глубину формовки лунки (по Эриксену). Он позволяет оценить штампуемость листового металла толщиной 0,2-2,0 мм. У листовой стали марки 08Ю в зависимости от ее толщины и категории глубина лунки должна быть не менее 9-12 мм [6].

Чтобы выбрать оптимальный химический состав стали и оптимальные значения

ключевых технологических параметров, обеспечивающие необходимый комплекс свойств,

следует рассмотреть, какие же требования предъявляются к характеристикам микроструктуры проката.

Многочисленными исследованиями [7-10] показано, что размер ферритного зерна должен соответствовать 6-9 номеру. При мелком зерне (10-11 номер по ГОСТ 5639-82) резко снижается пластичность листа, нарушается сплошность металла в местах с особо глубокой вытяжкой, стали обнаруживают пружинящий эффект и сильно изнашивают штампы, а при слишком крупном зерне образуется шероховатая поверхность типа «апельсиновой корки» разрывы. Размер зерна стали АБТМ (американский аналог 08Ю) №7-8 дает хороший баланс между вытягиваемостью и шероховатостью поверхности [11].

При оптимальном размере зерна наиболее высокие характеристики штампуемости обеспечиваются в случае вытянутого «оладьевидного»

Похожие работы

Металлургия
05.16.00