Патент на изобретение №2292967

(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ НЕПРЕРЫВНО-ЛИТЫХ СЛЯБОВ ИЛИ ПОЛОСЫ, А ТАКЖЕ ПОЛУЧЕННЫЕ ТАКИМ ОБРАЗОМ ЛИСТ И ПОЛОСА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области обработки непрерывно-литых металлических слябов или полосы. Задачей изобретения является улучшение механических свойств, таких как прочность, вязкость и т.п., в получаемых изделиях. Изобретение включает пропускание сляба или полосы через группу вращающихся валков прокатной клети для их прокатки. Валки прокатной клети имеют различные окружные скорости, и различие между этими окружными скоростями составляет не менее 5% и не более 100%. Толщину сляба или полосы уменьшают за каждый проход не больше чем на 15%. Получаемые изделия могут быть изготовлены из алюминия, меди, стали, магния или титана или сплавов любого из этих металлов. Размер пор в сердцевине не должен превышать 20 мкм. Средняя длина зерна в 2-20 раз превышает его толщину. Степень рекристаллизации однородна по всей длине изделия. Изобретение обеспечивает закрытие пор в непрерывно-литом материале, измельчение зерна, разрушение эвтектических частиц. 5 н. и 18 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к способу обработки непрерывно-литых слябов или полосы, согласно которому сляб или полосу пропускают между группой вращающихся валков прокатной клети с тем, чтобы прокатать сляб или полосу.

Прокатка является вполне стандартной операцией обработки давлением, предназначенной для того, чтобы придать металлам нужные размеры и свойства. Например, прокатка способствует улучшению микроструктуры в результате измельчения зерна, имеющего место под воздействием прокатки.

Если тонкий лист или полосу нужно изготовить из сляба большой толщины, достигающей, например, 30 см или более, производство тонкого листа или полосы является очень трудоемким процессом, поскольку прокатку требуется повторить очень много раз. Поэтому были разработаны другие способы разливки, направленные на непосредственное получение тонких слябов или полосы. Для того чтобы добиться производства достаточного количества материала, эти процессы осуществляются непрерывно.

Для непрерывной разливки алюминия в принципе можно выделить три способа, применяемые в настоящее время. Согласно первому способу применяется один охлаждаемый валок, на котором происходит охлаждение тонкого слоя расплавленного алюминия вплоть до затвердевания. Полученная таким образом полоса имеет толщину приблизительно 1 мм. По техническим причинам эта толщина не может быть намного больше. Согласно второму способу применяются два охлаждаемых валка, между которыми пропускают расплавленный алюминий с целью его затвердевания в форме полосы. Усовершенствованное охлаждение позволяет при этом способе получить толщину от 6 до 10 мм; минимальная толщина, достижимая в настоящее время, составляет приблизительно 1 мм. В зависимости, в том числе от толщины, сформированная полоса может быть разрезана на отдельные листы или смотана в рулоны. Согласно третьему способу расплавленный алюминий направляют на конвейерную ленту, на которой он затвердевает, или же пропускают его между двумя конвейерными лентами с целью затвердевания. Благодаря большей длине пути затвердевания может быть отведено больше тепла, что позволяет получить затвердевшую полосу большей толщины. Эта толщина обычно составляет приблизительно 20 мм. Толстая полоса, сформированная таким образом, может затем быть разрезана на отдельные отрезки или смотана в рулоны. Согласно всем трем способам существует также возможность прокатки полосы в одной или нескольких прокатных клетях сразу же после разливки и после этого смотка в рулоны.

Три перечисленных выше способа, так же как и другие способы, могут использоваться для непрерывной разливки других металлов, и соответственно существует также возможность производить полосу большей толщины.

Эти способы, а также способы, являющиеся производными из них, в настоящем документе совместно упоминаются как “непрерывная разливка”, а полученную с их помощью продукцию упоминают как “непрерывно-литые слябы и полоса”.

Одним из недостатков этой продукции является то, что конечный продукт в значительной мере сохраняет микроструктуру литья, поскольку слябы и полоса практически не подвергаются прокатке. Следовательно, механические характеристики конечного продукта являются относительно низкими и использование конечных продуктов ограничено, например, в качестве фольги и исходного материала для изготовления ребер теплообменников.

Целью настоящего изобретения является разработка способа обработки непрерывно-литых металлических слябов или полосы, позволяющего улучшить свойства полученного с его помощью продукта.

Другой целью настоящего изобретения является разработка способа обработки непрерывно-литых металлических слябов или полосы, позволяющего закрыть поры в литом материале.

Еще одной целью настоящего изобретения является разработка способа обработки непрерывно-литых металлических слябов или полосы, ведущего к измельчению зерна в полученном таким образом продукте.

И еще одной целью настоящего изобретения является разработка способа обработки непрерывно-литых металлических слябов или полосы, позволяющего улучшить качество поверхности сляба или полосы.

Кроме того, целью настоящего изобретения является разработка металлического листа или полосы с улучшенными механическими свойствами, предпочтительно изготовленного с помощью указанного способа.

Согласно первому аспекту изобретения одна или несколько из этих целей достигаются с помощью способа обработки непрерывно-литых слябов или полосы, при котором сляб или полосу пропускают между группой вращающихся валков прокатной клети с целью прокатки сляба или полосы, причем согласно этому способу валки прокатной клети имеют различные окружные скорости, различие между этими окружными скоростями составляет не менее 5% и не более 100%, причем при использовании этого способа толщина сляба или полосы уменьшается за каждый проход не больше чем на 15%.

Благодаря тому что валкам придана различная окружная скорость, в слябе или полосе возникает сдвиг, причем обнаружено, что сдвиг происходит по всей толщине сляба или полосы. Обнаружено, что для этого требуется, чтобы различие скоростей составляло не менее 5%. Сдвиг ведет к тому, что в значительной степени происходит закрытие пор в непрерывно-литом материале. Для этого не требуется значительного изменения толщины, но вполне достаточно изменения толщины не более чем на 15%. Это выгодно для непрерывно-литого металлического сляба или полосы, которые во многих случаях разливаются с небольшой толщиной, поскольку толщина затем по существу сохраняется.

Кроме того, важно, чтобы прокатка, являющаяся предметом настоящего изобретения, могла привести к измельчению зерна, которое происходит по всей толщине катаного материала, что способствует улучшению механических свойства сляба или полосы. Среди прочего происходит повышение прочности материала.

Сдвиг ведет также к разрушению эвтектических частиц, что ведет к повышению вязкости.

Кроме того, ожидается, что материал будет иметь улучшенную скорость роста усталостных трещин, поскольку зерна будут иметь в результате сдвига более или менее заостренную форму. Это ведет к повышению вязкости и снижению подверженности повреждению.

Ожидается также, что обработка способом, являющимся предметом изобретения, позволит получить катаный лист с меньшим расширением.

Ожидается также, что обработка способом, являющимся предметом изобретения, позволит получить поверхностный слой материала, отличающийся от получающегося при обычной прокатке материала. Обычная прокатка ведет к формированию слоя, состоящего из очень мелкозернистого материала. Этот слой оказывается гораздо тоньше при обработке способом, являющимся предметом изобретения. Ожидается, что это повысит коррозионную стойкость материала. Это может оказаться благоприятным для использования непрерывно-литых алюминиевых листового и полосового материалов в областях, отличающихся от предусмотренных.

Толщина сляба или полосы предпочтительно уменьшается за каждый проход не более чем на 8% и предпочтительно не более чем на 5%. Поскольку сдвиг и соответственно измельчение зерна создаются разностью в окружной скорости между валками, уменьшение толщины материала не является обязательным для достижения измельчения зерна. Уменьшение толщины требуется в первую очередь для того, чтобы позволить валкам захватить материал. Для этого требуется лишь незначительное изменение толщины, которое является преимущественным в случае тонких алюминиевых слябов или полосы. Чем меньше обжатие, тем большей остается толщина сляба или полосы после каждого прохода. В результате возрастают возможности применения непрерывно-литых алюминиевых слябов или полосы.

Разница в окружной скорости предпочтительно составляет не более 20%, более предпочтительно не более 50%. При увеличении разницы между окружными скоростями валков будет увеличиваться сдвиг.

Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения прокатная клеть сконструирована таким образом, что валки имеют различный диаметр. Это позволяет получить нужную разницу между окружными скоростями валков.

Согласно другому предпочтительному варианту реализации валки имеют различную скорость вращения. Это тоже позволяет получить желательную разницу в окружной скорости валков.

Можно также комбинировать последние два приема, чтобы получить желательную разницу в окружной скорости валков.

Прокатка предпочтительно осуществляется при повышенной температуре. Это делает более плавным проход при прокатке. Прокатка предпочтительно осуществляется при температуре от 300 до 550°С, поскольку в этом диапазоне температур возможна качественная деформация непрерывно-литых алюминиевых слябов и полосы. Более предпочтительно, прокатка осуществляется при температуре от 425 до 475°С. Деформация алюминия наиболее легко происходит при приблизительно 450°С.

Согласно предпочтительному варианту реализации способа сляб вводят между валками под углом от 5 до 45° к линии, перпендикулярной к плоскости, через которую проходят центральные оси валков. Ввод сляба между валками под углом облегчает захват валками сляба, при этом изменение толщины может быть наименьшим. Экспериментально было установлено, что после прокатки материал имеет лучшую прямолинейность, если он вводится между валками под углом. Сляб предпочтительно подают под углом от 10 до 25°, и более предпочтительно под углом от 15 до 25°, поскольку при таком угле подачи материал выходит из прокатной клети с наилучшей прямолинейностью. Следует отметить, что указанный эффект зависит от уменьшения размеров материала, типа материала и сплава и температуры.

Исходной точкой предпочтительно является сляб или полоса толщиной не более 70 мм, предпочтительно не более 25 мм. Стандартная прокатка предусматривает прокатку до толщины приблизительно в один миллиметр или меньше, чтобы получить наилучшие механические свойства. С помощью способа, являющегося предметом настоящего изобретения, можно придать слябу или полосе улучшенные механические свойства с тем результатом, что для той же цели может быть использован более тонкий материал. Поскольку способ, являющийся предметом настоящего изобретения, может быть использован для улучшения свойств относительно тонкого непрерывно-литого материала, можно ожидать, что более толстый непрерывно-литой листовой и полосовой материал с улучшенными механическими свойствами также найдет применение в промышленности.

Для этой цели после выполнения прокатки в первый раз операцию обработки повторяют один или несколько раз. Например, выполнение операции обработки, являющейся предметом настоящего изобретения, три раза обеспечивает достаточно качественное измельчение зерна. Однако количество повторений операции обработки зависит от толщины непрерывно-литого материала, разницы в окружной скорости валков и требующегося измельчения зерна. Желательно чтобы материал вводился между роликами под углом от 5 до 45°, предпочтительно от 10 до 25°, более предпочтительно от 15 до 25° при каждой операции процесса.

Многократное выполнение операции обработки, являющейся предметом настоящего изобретения, с отжигом, если потребуется, этого материала между операциями обработки позволяет получить сверхтонкую зернистую структуру. Операцию обработки можно повторять достаточно часто для того, чтобы материал стал суперпластичным. Суперпластичный материал содержит чрезвычайно мелкое зерно и благодаря этому при определенных условиях может растягиваться почти безгранично без растрескивания. Это является в высшей мере благоприятным свойством для деформации металла, например, глубокой вытяжки заготовки. Очевидно, что при многократном повторении операции обработки, являющейся предметом настоящего изобретения, толщина материала становится меньше, и поэтому требуется начинать с непрерывно-литого материала, такого как алюминий, имеющего максимально возможную толщину.

Если операция обработки, являющаяся предметом настоящего изобретения, повторяется несколько раз, согласно предпочтительному варианту реализации сляб, лист или полосу можно пропускать через прокатную клеть в противоположных направлениях при каждом проходе. При этом сляб, лист или полоса изменяют направление после каждой операции прокатки и всегда пропускаются через ту же прокатную клеть. В этом случае при каждом проходе валки должны вращаться в противоположных направлениях. Также при этом желательно, чтобы материал в каждом случае вводился между валками под углом.

Согласно другому предпочтительному варианту реализации сляб, лист или полосу последовательно пропускают через две или более прокатные клети. Этот способ в первую очередь подходит для полосового материала, который таким образом очень быстро подвергается нужной операции обработки.

В отношении способа, являющегося предметом настоящего изобретения, возможно, чтобы ему предшествовала или за ним следовала операция прокатки, которая осуществляется с использованием прокатной клети, в которой валки имеют по существу одинаковую окружную скорость. Таким образом, например, продукции может быть придана точно заданная толщина или гладкость.

Согласно предпочтительному варианту реализации металлический сляб образуется двумя или более слоями металла, предпочтительно двумя или более слоями, состоящими из различных сплавов одного металла или из сплавов различных металлов. Таким образом можно, например, производить слоистый металл, такой как тот, что известен под наименованием биметалла, предназначенного, например, для листового припоя для алюминия.

Другой аспект изобретения касается металлического листа или полосы, полученных с помощью указанного способа, в котором металлом являются алюминий, сталь, нержавеющая сталь, медь, магний или титан, или же сплав любого из этих металлов. Эти металлы и их сплавы особенно пригодны для обработки с использованием способа, являющегося предметом настоящего изобретения, поскольку относятся к числу металлов, широко применяемых в промышленности, и им желательно придать улучшенные механические свойства, если их производят методом непрерывной разливки.

Непрерывно-литой металлический лист предпочтительно имеет толщину от 5 до 60 мм, более предпочтительно от 5 до 20 мм. Очевидно, что эта толщина зависит от толщины, которую допускает способ непрерывной разливки металла. Поэтому операция обработки, являющаяся предметом настоящего изобретения, позволяет выпускать лист относительно большой толщины с хорошими механическим свойствами даже из относительно тонкого непрерывно-литого материала.

Лист предпочтительно состоит из алюминиевого сплава, относящегося к группам марок АА 1ххх или АА 3ххх, предпочтительно АА 1050 или АА 1200, или АА 3103.

Непрерывно-литая металлическая полоса предпочтительно имеет толщину не более 7 мм, более предпочтительно – не более 2 мм. С помощью операции обработки, являющейся предметом настоящего изобретения, можно получить полосовой материал относительно большой толщины с хорошими механическим свойствами, хотя можно также, конечно, получить полосу стандартной толщины, или даже сделать ее тоньше, поскольку происходит улучшение механических свойств.

Металлической полосой является, например, полоса, состоящая из алюминиевого сплава, относящегося к группе марок АА 5ххх, предпочтительно АА 5182. Этот материал может использоваться в качестве листа для изготовления автомобильных кузовов в результате применения операции обработки, являющейся предметом настоящего изобретения.

Изобретение относится также к улучшенному металлическому листу или полосе, полученным путем непрерывной разливки, предпочтительно с помощью способа, соответствующего первому аспекту изобретения, в котором поры в сердцевине листа или полосы имеют максимальные размеры менее 20 мкм, предпочтительно менее 10 мкм. В результате непрерывной разливки непрерывно-литой лист и полоса всегда содержат поры, размеры которых значительно превышают 20 мкм. При стандартных операциях прокатки могут только в определенной степени закрываться поры в сердцевине заготовки, или же они могут не закрываться вообще. Операция прокатки, являющаяся предметом настоящего изобретения, позволяет производить непрерывно-литой листовой или полосовой материал с порами гораздо меньших размеров.

Изобретение относится также к улучшенному металлическому листу и полосе, полученным с помощью непрерывной разливки, предпочтительно с помощью способа, соответствующего первому аспекту изобретения, при котором нерекристаллизованный металлический лист или полоса, в сердцевине листа или заготовки, имеет деформированную зернистую структуру, причем средняя длина зерна в 2-20 раз превышает его толщину, и предпочтительно длина в 5-20 раз превышает толщину. Поскольку при обычной прокатке непрерывно-литой металл подвергается в сердцевине лишь незначительной деформации, зерно металла в сердцевине практически не деформируется. Прокатка согласно настоящему изобретению позволяет получать непрерывно-литой листовой и полосовой материал с сильно деформированным зерном. В результате во время рекристаллизации будет образована очень мелкозернистая структура.

Изобретение относится также к улучшенному металлическому листу и полосе, полученным с помощью непрерывной разливки, предпочтительно с помощью способа, соответствующего первому аспекту изобретения, при котором металлический лист или полоса после рекристаллизации имеют по существу однородную степень рекристаллизации по всей толщине. Тот факт, что все зерна подвергаются сдвигу в результате операции обработки прокаткой, являющейся предметом настоящего изобретения, включая и те, которые находятся в сердцевине, означает, что в непрерывно-литом листовом и полосовом материале по всей толщине произойдет рекристаллизация.

Металлический лист или полоса с такими размерами пор, деформированной зернистой структурой или таким уровнем рекристаллизации предпочтительно изготавливают из алюминия, стали, нержавеющей стали, меди, магния или титана или же их сплавов, поскольку эти металлы находят широкое применение в промышленности.

Далее изобретение поясняется со ссылкой на пример выполнения.

Эксперимент проводился с использованием алюминиевых слябов АА 7050 толщиной 32,5 мм. Слябы прокатывали посредством прокатного устройства с двумя валками, из которых верхний валок имел диаметр 165 мм и нижний валок диаметр 135 мм. После прокатки слябы имели толщину 30,5 мм.

Слябы вводились под различным углом, который изменялся от 5 до 45°. Температура слябов на входе в прокатное устройство составляла примерно 450°С. Валки вращались со скоростью 5 об./мин.

После прокатки слябы имели определенную кривизну, которая сильно зависела от угла ввода. Прямолинейность слябов после прокатки в значительной степени определялась углом ввода, в этом контексте оптимальный угол ввода зависел от степени обжатия, типа материала или сплава и температуры. Для алюминиевых слябов, прокатанных, как описано выше, оптимальный угол ввода составил приблизительно 20°.

Угол сдвига в 20° был измерен у алюминиевых слябов, прокатанных, как описано выше. Используя эти измерения и уменьшение размеров сляба, является возможным рассчитать эквивалентную деформацию согласно следующей формуле:

Данная формула используется для представления многомерной деформации в одном измерении и известна из книги «Fundamental of metal forming», R.R.Wagoner и J.L.Chenot, John Wiley & Sons, 1997.

Таким образом в слябах, прокатанных в упомянутых экспериментах, эквивалентная деформация составила

В случае прокатки в обычной прокатной клети не происходит сдвига поперек толщины пластины и эквивалентная деформация составляет

(постоянная деформация, относящаяся к толщине пластины)

Таким образом, прокатка с использованием способа согласно изобретению обеспечивает величину эквивалентной деформации, которая в 3-4 раза превосходит эквивалентную деформацию при обычной прокатке без различия в угловых скоростях валков. Высокая эквивалентная деформация обеспечивает снижение пористости сляба, увеличение рекристаллизации и поэтому измельчение зерна и более широкое разрушение частиц второй фазы (структурных составляющих) в слябе. Этот эффект, возникающий при увеличении эквивалентной деформации, в принципе известен специалистам в данной области техники. Таким образом, прокатка согласно изобретению обеспечивает дальнейшее улучшение свойств материала.

Формула изобретения

1. Способ обработки непрерывно-литых слябов, листов или полосы, включающий пропускание сляба или полосы через группу вращающихся валков прокатной клети для прокатки сляба или полосы, отличающийся тем, что валки прокатной клети имеют различные окружные скорости и различие между этими окружными скоростями составляет не менее 5% и не более 100%, причем за каждый проход толщину сляба или полосы уменьшают не больше чем на 15%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину сляба или полосы предпочтительно уменьшают за каждый проход не более чем на 8% и предпочтительно не более чем на 5%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что разница в окружной скорости валков предпочтительно составляет не менее 20%, более предпочтительно не менее 50%.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют прокатную клеть с валками, имеющими различный диаметр.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что валки имеют различную скорость вращения.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что прокатку осуществляют при повышенной температуре, в случае алюминия предпочтительно при температуре от 300 до 550°С и более предпочтительно при температуре от 425 до 475°С.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сляб вводят между валками под углом от 5 до 45° к линии, перпендикулярной плоскости, через которую проходят центральные оси валков, и предпочтительно под углом от 10 до 25°, более предпочтительно под углом от 15 до 25°.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что начальная толщина сляба или полосы не более 70 мм, предпочтительно не более 25 мм.

9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после выполнения прокатки в первый раз операцию обработки повторяют еще один или несколько раз.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что сляб, лист или полосу пропускают через прокатную клеть при каждом проходе в противоположных направлениях.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что сляб, лист или полосу последовательно пропускают через две или более прокатные клети.

12. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перед операцией обработки согласно любому из пп.1-11 производят операцию прокатки, осуществляемую с использованием прокатной клети, в которой валки имеют, по существу, одинаковую окружную скорость.

13. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что металлический сляб образован двумя или более слоями металла, предпочтительно двумя или более слоями, состоящими из различных сплавов металла или из различных металлов.

14. Металлический лист или полоса, обработанные способом по одному из пп.1-13, металлом которых являются алюминий, сталь, нержавеющая сталь, медь, магний или титан, или же сплав любого из этих металлов.

15. Металлический лист по п.14, отличающийся тем, что имеет толщину от 5 до 60 мм, предпочтительно от 5 до 20 мм.

16. Металлический лист по п.15, отличающийся тем, что состоит из алюминиевого сплава, относящегося к группам марок АА 1ххх или АА 3ххх, предпочтительно АА 1050, или АА 1200, или АА 3103.

17. Металлическая полоса по п.14, отличающаяся тем, что имеет толщину не более 7 мм, предпочтительно не более 2 мм.

18. Металлическая полоса по п.17, отличающаяся тем, что состоит из алюминиевого сплава, относящегося к группе марок АА 5ххх, предпочтительно АА 5182.

19. Металлическая полоса по п.18, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью использования в транспортном средстве, например, в качестве конструкционной детали внутри транспортного средства.

20. Непрерывно-литые металлический лист или полоса, обработанные способом по любому из пп.1-13, при этом размер пор в сердцевине листа или полосы не превышает 20 мкм, предпочтительно 10 мкм.

21. Непрерывно-литые металлический лист или полоса, обработанные способом по любому из пп.1-13, при этом нерекристаллизованный металлический лист или полоса в сердцевине имеют деформированную зернистую структуру, причем средняя длина зерна в 2-20 раз превышает его толщину и предпочтительно длина в 5-20 раз превышает толщину.

22. Непрерывно-литые металлический лист или полоса, обработанные способом по любому из пп.1-13, при этом после рекристаллизации имеют, по существу, однородную степень рекристаллизации по всей толщине.

23. Металлический лист или полоса по одному из пп.20-22, отличающиеся тем, что металлом является алюминий, сталь, нержавеющая сталь, медь, магний или титан, или их сплавы.