Холоднокатаная сталь для штамповки деталей сложной формы

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к химическому составу низкоуглеродистых холоднокатаных сталей, предназначенных для изготовления изделий сложной формы методом листовой штамповки, преимущественно деталей автомобилей, в том числе с защитными покрытиями. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: углерод 0,002-0,015; кремний 0,005-0,020; марганец 0,05-0,2; сера 0,005-0,015; фосфор 0,005-0,015; алюминий 0,015-0,06; хром 0,005-0,04; никель 0,004-0,03; медь 0,006-0,05; азот 0,001-0,006; титан 0,02-0,15; кальций 0,0003-0,001; железо остальное, при этом соотношение содержания в стали серы, кальция, азота, углерода и титана составляет 1,5/S -0,8Са/+3,43 N +6C < Ti ≤ 1,5/S-0,8Ca/ +3,43N +10C. Изобретение позволяет повысить значения коэффициента нормальной пластической анизотропии и показателя упрочнения при отсутствии старения стали после рекристаллизационного отжига. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к химическому составу низкоуглеродистых холоднокатаных сталей, предназначенных для изготовления изделий сложной формы методом листовой штамповки, преимущественно деталей автомобилей, в том числе с защитными покрытиями.

Наиболее близкой по химическому составу является холоднокатаная сталь для штамповки деталей сложной формы, содержащая, мас.%: углерод 0,003-0,015: кремний 0,005-0,02; марганец 0,05-0,2; сера 0,004-0,012; фосфор 0,005-0,015; алюминий 0,015-0,06; хром 0,005-0,04; никель 0,004-0,03: медь 0,006-0,05; азот 0,001-0,006; ниобий 0,01-0,015; титан из расчета: 1,5S + 3,43N + 6С < Ti < 1,5S + 3,43N + 10С.

/См. патент РФ 2034088, кл. С 22 С 38/16, 1995/.

Недостатком известной стали является пониженное значение коэффициента нормальной пластической анизотропии и показателя упрочнения. Сказанное приводит к ухудшению штампуемости в процессе глубокой вытяжки и формовки.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении значения коэффициента нормальной пластической анизотропии и показателя упрочнения при отсуствии старения стали после рекристаллизационного отжига.

Указанный технический эффект достигается тем, что холоднокатаная сталь для штамповки деталей сложной формы содержит углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, алюминий, хром, никель, медь, азот, титан, железо.

Сталь дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0,002-0,015 Кремний - 0,005-0,020 Марганец - 0,05-02 Сера - 0,005-0,015 Фосфор - 0,005-0,015 Алюминий - 0,015-0,06 Хром - 0,005-0,04 Никель - 0,004-0,03 Медь - 0,006-0,05
Азот - 0,001-0,006
Титан - 0,02-0,15
Кальций - 0,0003-0,001
Железо - Остальное
При этом соотношение содержания в стали серы, кальция, азота, углерода и титана составляет:
1,5/S - 0,8Са/ + 3,43N + 6С < Тi ≤ 1,5/S - 0,8Са/ + 3,43N + 10С.

Повышение значения коэффициента нормальной пластической анизотропии и показателя упрочнения при отсуствии старения после рекристаллизационного отжига достигается тем, что в сталь дополнительно вводят кальций при контролируемом соотношении между содержанием титана, серы, кальция, углерода и азота.

Сущность изобретения заключается в регулировании состояния твердого раствора подката за счет предлагаемого химического состава. Известно, что свойства готового холоднокатаного листа в существенной степени определяются свойствами подката. В предлагаемом изобретении обеспечение максимально возможного выведения из твердого раствора подката атомов внедрения и замещения обеспечивает улучшение текстуры и соответственно коэффициента нормальной пластической анизотропии, повышает показатель упрочнения из-за устранения площадки текучести в подкате, и практически полностью исключает старение готового холоднокатаного листа, прошедшего рекристаллизационный отжиг как в колпаковых печах, так и в агрегатах непрерывного отжига.

Учитывая сложный характер вытяжки - формовки деталей, сталь должна обладать достаточно низким уровнем прочности, что вынуждает ограничивать верхнее содержание кремния, марганца, хрома, никеля, меди. Кроме того, избыточное содержание этих элементов в твердом растворе подката приводит к ухудшению текстуры готового холоднокатаного листа.

Верхний предел содержания кремния 0,02 мас.% ограничен способностью к эффекту Санделина, связанного с ухудшением процесса нанесения защитных покрытий за счет химических реакций в поверхностных слоях стали. Нижний предел по содержанию кремния 0,005 мас. % определяется практическим устранением вредного влияния кремния при значительных затратах для его дальнейшего содержания.

Нижний предел содержания марганца определяется необходимостью обеспечения минимального уровня предела текучести не ниже 120 МПа в случае содержания углерода и азота на нижнем уровне. Нижние пределы хрома, никеля, меди определяются значительными затратами, необходимыми для дальнейшего снижения их содержания. Верхние пределы содержания этих элементов определяются их значительным влиянием на упрочнение феррита.

Содержание фосфора следует ограничивать диапазоном 0,005-0,015 мас.%, что связано со следующими соображениями. При содержании фосфора менее 0,015 мас. % и соответственно низких концентрациях углерода в металле удается обеспечить минимальное охрупчивание по границам зерен. Получение фосфора менее 0,005 мас.% нецелесообразно, так как при этом резко возрастают затраты.

Сера является важным элементом при формировании свойств особо низкоуглеродистых сталей. При содержании серы ниже 0,005 мас.% образуется недостаточное количество карбосульфидов титана Тi₄С₂S₂, что ухудшает условия стабилизации углерода. При содержании серы выше 0,015 мас.% требуется повышенное содержание титана, что приводит к поверхностным дефектам холоднокатаного листа и ухудшению адгезии цинкового покрытия.

Атомам азота и углерода принадлежит главная роль в снижении пластических свойств стали, в связи с чем их стабилизация /вывод из твердого раствора подката/ является главной задачей. Титан является важнейшим элементом, необходимым для стабилизации указанных элементов.

Максимальное количество титана 0,15 мас.% ограничено проблемами появления поверхностных дефектов холоднокатаного листа и ухудшения адгезии цинкового покрытия. Кроме этого, происходит удорожание стали. Минимальный уровень титана 0,02 мас.% определяется минимальным уровнем серы, кальция, углерода и азота, для стабилизации которых необходим титан.

Количество вводимого титана, необходимое для обеспечения максимально возможного выведения из твердого раствора подката атомов внедрения и замещения, определяется из следующего соотношения содержания в стали серы, кальция, азота, углерода и титана:
1,5/S - 0,8Са/ + 3,43N + 6С < Тi ≤ 1,5/S - 0,8Са/ + 3,43N + 10С.

Дополнительное введение в сталь кальция способствует улучшению стабилизации серы, при этом образующиеся сульфиды кальция имеют относительно большой размер и не влияют на упрочняемость стали. Кроме этого, частичная стабилизация серы кальцием приводит к снижению необходимого количества титана, что особенно важно при большом уровне углерода в стали. При содержании кальция менее 0,0003 мас.% его положительное влияние пропадает. Увеличение содержания кальция выше 0,001 мас.% приводит к неоправданному удорожанию стали.

Максимальные пределы содержания углерода 0,015 мас.% и азота 0,006 мас.% определяются вышеприведенными соображениями по ограничению максимального содержания титана, которые необходимы для стабилизации этих элементов. Минимальные пределы содержания углерода 0,002 мас.% и азота 0,001 мас.% определяются резким увеличением затрат при дальнейшем снижении содержания этих элементов.

Нижний предел содержания алюминия 0,015 мас.% определяется необходимостью связывания кислорода и азота, которые ухудшают штампуемость стали. Верхний предел содержания алюминия 0,06 мас.% определяется условиями удорожания стали.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемой стали с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Реализацию изобретения осуществляли следующим образом. Выплавляли металл в вакуумно-индукционной печи емкостью 40 кг типа "Бальцерс". Раскисление и легирование металла проводили в инертной атмосфере аргоном путем введения требуемого количества раскислителей и легирующих материалов через шлюзовую камеру. Металл разливали в изложницы с защитой струи от вторичного окисления и деазотации. Химический состав выплавленной стали приведен в таблице.

Горячую прокатку осуществляли на толщину 3 мм на одноклетьевом реверсивном стане дуо с диаметром рабочих валков 425 мм и длиной бочки 650 мм. Скорость деформации составляла 6-26 с^-1. Температура конца прокатки была выше Аr₃/880-900^oС/. Температура смотки 730-750^oC. Холодную прокатку осуществляли на одноклетьевом реверсивном стане кварто с диаметром рабочих валков 165-190 мм и длиной бочки 350 мм. Скорость деформации составляла 6-8 с^-1. Прокатку осуществляли на толщину 0,75 мм, при этом величина обжатия составляла 75%. Рекристаллизационный отжиг осуществляли в вакуумной печи, после чего полосы подвергали дрессировке с обжатием 0,4-0,8%.

Механические свойства готовой холоднокатаной стали определяли на универсальной разрывной машине INSTRON-1185, оснащенной автоматическим экстензометром продольной и поперечной деформации с компьютерной обработкой результатов. Полученные результаты представлены в таблице, где: r_m - значение коэффициента нормальной пластической анизотропии, усредненное по трем направлениям вырезки образцов; n_10-17 - показатель упрочнения в диапазоне деформации 10-17%, определенный на поперечных образцах; ИС - индекс старения, определяемый как прирост предела текучести после деформации на 7% с последующей часовой выдержкой при 100^oC.

Анализ полученных результатов показывает, что соблюдение заявляемых параметров химического состава стали обеспечивает повышение характеристик штампуемости - коэффициента нормальной пластической анизотропии и показателя упрочнения, а также исключает старение стали после рекристаллизационного отжига и дрессировки при сохранении высокого уровня коэффициента нормальной пластической анизотропии.

Формула изобретения

Холоднокатаная сталь для штамповки деталей сложной формы, содержащая углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, алюминий, хром, никель, медь, азот, титан, железо, отличающаяся тем, что сталь дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,002-0,015
Кремний - 0,005-0,020
Марганец - 0,05-0,2
Сера - 0,005-0,015
Фосфор - 0,005-0,015
Алюминий - 0,015-0,06
Хром - 0,005-0,04
Никель - 0,004-0,03
Медь - 0,006-0,05
Азот - 0,001-0,006
Титан - 0,02-0,15
Кальций - 0,0003-0,001
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1