Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам сталей для производства горячеалюминированных листов и лент для корпусных деталей системы выпуска газов автомобилей. Предложенная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,02 - 0,08; кремний 0,003-0,40; марганец 0,20-1,20; хром 0,01-4,0; никель 0,01-0,60; медь 0,01-0,50; титан 0,002-0,22; алюминий 0,02-0,15; сера 0,005-0,025; фосфор 0,003-0,020; азот 0,002-0,018; кальций 0,0001-0,02; железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение качества горячеалюминированных листов и лент за счет снижения толщины интерметаллидного слоя. 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к составам сталей для производства горячеалюминированных листов и лент, которые могут быть использованы для корпусных деталей систем выпуска газов автомобилей.

Системы выпуска газов двигателей внутреннего сгорания должны обладать высокой коррозионной стойкостью в агрессивной газовой среде и в условиях образования конденсата выхлопных газов, жаростойкостью в области температур до 600^oС, иметь высокую штампуемость и сохранять прочностные свойства при циклических и ударных нагрузках, а также иметь минимально возможную массу. Поэтому для изготовления деталей выпуска газов, таких как средний патрубок, кожух коллектора, реактор, корпус и пластины глушителя, теплоизолятор и др., используют стальные горячеалюминированные листы и ленты.

В процессе производства горячеалюминированных листов и лент покрытие вступает в химическую реакцию со стальной основой с образованием хрупкого промежуточного интерметаллидного слоя. Интерметаллидный слой ухудшает качество горячеалюминированных листов и лент, снижает штампуемость, способствует отслоению покрытия.

Горячеалюминированные листы и ленты для деталей систем выпуска автомобилей должны отвечать следующему комплексу свойств (табл.1): Известная сталь для изготовления горячеалюминированных листов, содержащая, мас.%: Углерод - Менее 0,01 Кремний - Менее 0,1 Марганец - 0,1 - 1,5 Хром - 3 - 12 Титан - 0,03 - 0,16 Алюминий - Менее 0,08 Азот - Менее 0,004 Железо - Остальное [1]
Недостатком указанной стали является ее низкая пластичность. При горячем алюминировании сталь образует интерметаллидный слой большой толщины. Это ухудшает качество горячеалюминированных листов и лент.

Известна также сталь для изготовления горячеалюминированных листов и лент следующего состава, мас.%:
Углерод - Менее 0,05
Кремний - Менее 0,10
Марганец - Менее 1,0
Хром - - 1,80 - 3,0
Никель - 0,10 - 0,50
Медь - 0,10-0,50
Алюминий - 0,06 - 0,15
Сера - Менее 0,05
Фосфор - Менее 0,05
Азот - Менее 0,02
Титан, цирконий, ниобий, ванадий - Более С+N
Железо - Остальное [2]
Данная сталь после горячего алюминирования имеет допустимую рабочую температуру 450^oС и обладает низкими прочностными и антикоррозийными свойствами при температурах более 500^oС. Горячеалюминированные ленты и полосы характеризуются низкой штампуемостью, обусловленной наличием интерметаллидного слоя большой толщины.

Наиболее близкой по своему химическому составу и свойствам к предлагаемой является следующая сталь для изготовления горячеалюминированных листов и лент, мас.%:
Углерод - 0,04 - 0,08
Кремний - 0,12 - 0,40
Марганец - 0,51 - 1,20
Хром - 0,50 - 1,0
Никель - 0,20 - 0,60
Медь - 0,20 - 0,50
Титан - 0,03 - 0,15
Алюминий - 0,06 - 0,15
Сера - 0,005 - 0,04
Фосфор - 0,03 - 0,10
Азот - 0,003 - 0,008
Железо - Остальное [3] - прототип
Недостатки известной стали состоят в следующем. В процессе производства горячеалюминированных листов и лент стальная основа интенсивно взаимодействует с покрытием, образуя интерметаллидный слой, толщина которого превышает допустимую. Кроме того, взаимная диффузия стали и покрытия при повышенных температурах способствует снижению коррозионной стойкости изделий. В результате горячеалюминированные листы и ленты имеют низкое качество.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества горячеалюминированных листов и лент.

Для решения поставленной технической задачи сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, титан, алюминий, серу, фосфор, азот и железо, дополнительно содержит кальций при следующем соотношении содержаний компонентов, мас.%:
Углерод - 0,02 - 0,08
Кремний - 0,003 - 0,40
Марганец - 0,20 - 1,20
Хром - 0,01 - 4,0
Никель - 0,01 - 0,60
Медь - 0,01 - 0,50
Титан - 0,002 - 0,22
Алюминий - 0,02 - 0,15
Сера - 0,005 - 0,025
Фосфор - 0,003 - 0,020
Азот - 0,002 - 0,018
Кальций - 0,0001 - 0,02
Железо - Остальное
Углерод в данной стали является одним из основных упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,02% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,08% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.

Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент. Если содержание кремния в стали будет менее 0,003%, то ухудшится раскисленность и жаростойкость стали; при содержании кремния более 0,40% резко снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали.

Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств и повышает коррозионную стойкость. При содержании марганца менее 0,20% сталь недостаточно раскислена, ее прочность ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,2% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность, приводит к росту брака при изготовлении деталей системы выпуска газов автомобилей.

Хром введен в сталь для повышения коррозионной стойкости, прочности и пластичности. Если содержание хрома в стали меньше 0,01%, то снижается прочность и коррозионная стойкость. При содержании хрома более 4% происходит рост карбидов хрома в стали, повышаются прочностные свойства, ухудшается адгезия основы и покрытия.

Никель и медь обеспечивают получение заданного комплекса механических свойств стали и повышают ее коррозионную стойкость. Кристаллизуясь в стали, в последнюю очередь, медь располагается по границам зерен, уменьшая, в присутствии титана, вероятность развития межкристаллитной коррозии. При содержании в стали никеля менее 0,01% и меди менее 0,01% прочностные свойства стали ниже допустимых. Увеличение содержания никеля более 0,60% и меди более 0,50% приводит к ухудшению пластичности стали.

Титан введен в сталь для улучшения адгезии алюминиевого покрытия к стальной основе. Снижение содержания титана менее 0,002% ухудшает коррозионную стойкость в агрессивной среде выхлопных газов. Увеличение содержания титана более 0,22% не улучшает качество горячеалюминированных листов и лент, а лишь удорожает сталь, вследствие чего является нецелесообразным.

Алюминий введен в сталь как раскислитель, повышающий к тому же взаимосвязь стальной основы с алюминиевым покрытием, жаростойкость и коррозионную стойкость стали. При содержании алюминия менее 0,02% ухудшается связь стальной основы через слой интерметаллида с алюминиевым покрытием, снижается пластичность стали, сталь становится склонной к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,15% приводит к графитизации стали и ухудшению комплекса механических свойств.

Сера, образуя тугоплавкие сульфиды марганца, упрочняет матрицу. Поскольку рабочая температура деталей системы выпуска газов автомобиля не превышает 650^oС, отрицательное влияние ее на ослабление межзеренных связей не сказывается. При снижении содержания серы менее 0,005% не улучшается качество стали, хотя такое снижение усложняет и удорожает ее производство. Увеличение содержания серы более 0,025% снижает технологическую пластичность и штампуемость горячеалюминированных листов и лент.

Фосфор в стали повышает ее прочность и антикоррозионные свойства при одновременной экономии дорогостоящих легирующих элементов. Увеличение содержания фосфора более 0,020% приводит к охрупчиванию стали. При снижении содержания фосфора менее 0,003% прочность и коррозионная стойкость снижаются, а стоимость стали резко возрастает.

Азот в стали обеспечивает ее упрочнение. Мелкодисперсные частицы карбонитридов алюминия и титана упрочняют сталь, позволяют уменьшить толщину и металлоемкость деталей при сохранении высокой прочности. При содержании азота менее 0,002% не достигается эффект карбонитридного упрочнения стали. Увеличение содержания азота более 0,018% способствует старению стали, ухудшению ее пластичности ниже допустимого уровня.

Кальций в данной стали проявляет новое свойство, заключающееся в сдерживании роста интерметаллидного слоя. При уменьшении содержания кальция менее 0,0001% наблюдается рост толщины интерметаллидного слоя более 7 мкм, что ухудшает качество горячеалюминированных листов и лент. Повышение содержания кальция более 0,02% приводит к увеличению в ней количества неметаллических включений, ухудшению пластических свойств.

Сталь выплавляют в кислородном конвертере. Расплав легируют силикокальцием, ферромарганцем, феррохромом, феррофосфором, ферротитаном. Раскисление осуществляют алюминием, затем в расплав вводят металлическую медь и никель. В ковше расплав продувают газообразным азотом.

Разливку стали производят в слябы толщиной 250 мм. Слябы нагревают до 1250^oС и прокатывают на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,5 мм. Горячекатаные полосы после сернокислотного травления окалины прокатывают на 5-клетевом стане 1700 холодной прокатки до толщины 0,6 мм.

Холоднокатаные полосы отжигают в проходной печи и подвергают алюминированию методом погружения в расплав, содержащий 92% алюминия и 8% кремния. Толщина покрытия с каждой стороны полосы составляет 25 мкм. Затем горячеалюминированные полосы дрессируют с обжатием 2,8%, режут на листы и ленты.

За счет введения в сталь, из которой изготовлена основа, кальция в количестве 0,0001-0,02% и регламентированного соотношения содержаний остальных компонентов, достигается торможение роста толщины интерметаллидного слоя, что повышает пластичность и штампуемость листов и лент при сохранении высоких показателей прочности.

В табл. 2 приведен химический состав сталей для горячего алюминирования, а в табл. 3 - свойства алюминированных листов и лент.

Из табл. 3 следует, что сталь предложенного состава (составы 2-4) обеспечивает наилучшее качество горячеалюминированных листов и лент: толщина интерметаллидного слоя h составляет 3-6 мкм, потеря веса Q=1-2 мг/см². В случаях запредельных значений концентрации компонентов (варианты 1 и 5) качество горячеалюминированных листов и лент ухудшается, так как возрастает толщина интерметаллидного слоя h, ухудшаются пластические свойства, снижается коррозионная стойкость покрытия. Также низкое качество горячеалюминированных листов и лент имеет место при использовании стали - прототип (вариант 6).

Технико-экономические преимущества предложенной стали состоят в том, что за счет введения в ее состав кальция и оптимизации концентрации химических элементов удалось обеспечить заданный комплекс механических свойств, уменьшить толщину интерметаллидного слоя и потерю веса при испытании горячеалюминированных листов на коррозионную стойкость.

В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование стали предложенного состава повышение рентабельности производства горячеалюминированных листов и лент на 20-25%.

Источники информации
1. Заявка Японии 60-245727, МПК С 22 С 38/28, 1985 г.

2. Заявка Японии 63-18043, МПК С 22 С 38/00, 1988 г.

3. Авторское свидетельство СССР 1752823, МПК С 22 С 38/50, 1992 г. - прототип.

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, титан, алюминий, серу, фосфор, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кальций при следующем соотношении содержаний компонентов, мас. %:
Углерод - 0,02-0,08
Кремний - 0,003-0,40
Марганец - 0,20-1,20
Хром - 0,01-4,0
Никель - 0,01-0,60
Медь - 0,01-0,50
Титан - 0,002-0,22
Алюминий - 0,02-0,15
Сера - 0,005-0,025
Фосфор - 0,003-0,020
Азот - 0,002-0,018
Кальций - 0,0001-0,02
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3