Высокопрочная изотропная сталь, способ получения листовой стали и получаемый листовой прокат
Изобретение касается стали, которая может применяться, в частности, для изготовления кузовных деталей, содержащих органическое покрытие, при производстве автомобилей. Предложена сталь, содержащая С, Mn, Si, Al, N, Ni, Cu, Р, S, Мо, Ti, а также бор, железо и производственные примеси. Предложены способ получения листовой стали и листовой прокат из нее. Изобретение направлено на создание изотропного металлического материала, одновременно обладающего повышенным пределом упругости без ступени, хорошей пластичностью и способного подвергаться термической обработке после нанесения органического покрытия без проявления феномена старения. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 табл.
Настоящее изобретение касается стали и листового проката из высокопрочной изотропной стали с улучшенными механическими свойствами, способной противостоять старению при термической обработке.
Такой тип стали применяется, в частности, для изготовления кузовных деталей, содержащих органическое покрытие, при производстве автомобилей.
Эти детали, как правило, формуют способом штамповки, предполагающим, что сталь обладает достаточным уровнем пластичности и должна быть максимально изотропной, чтобы обеспечивать хорошее натяжение деталей. Кроме того, ведутся разработки с целью повышения прочности на вдавливание, что может быть достигнуто при условии высокого предела упругости.
Перед этим этапом формования на детали наносят органические покрытия, которые обжигают в ходе определенной термической обработки при максимальной температуре порядка 250°С и в течение приблизительно 30 секунд.
Однако такой вид термической обработки может привести к проявлению феномена старения стали, что выражается в увеличении предела упругости, снижении пластичности и особенно в появлении ступени предела упругости. Наличие этой ступени недопустимо, так как она является причиной появления очень заметных червеобразных деформаций во время штамповки, являющихся недопустимыми дефектами внешнего вида.
Из документа ЕР 0870848 известен сверхмягкий ниобиевый сплав стали с добавлением алюминия, обладающий хорошими свойствами механической прочности, а также хорошими свойствами пластичности, но он подвержен вышеупомянутому явлению старения и, следовательно, не приспособлен для нанесения покрытия, требующего термической обработки перед штамповкой.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка изотропного металлического материала, одновременно обладающего повышенным пределом упругости без ступени, хорошей пластичностью и способного подвергаться термической обработке после нанесения органического покрытия без проявления феномена старения.
В связи с этим первым объектом настоящего изобретения является сталь, состав которой содержит, вес.%:
0,03≤С≤0,06
0,50≤Mn≤1,10
0,08≤Si≤0,20
0,015≤Al≤0,070
N≤0,07
Ni≤0,040
Cu≤0,040
Р≤0,035
S≤0,015
Мо≤0,008
Ti≤0,005,
при этом имеется в виду, что она содержит также бор в таком количестве, что
а остальная часть состава является железом и производственными примесями.
Авторы настоящего изобретения открыли, что соблюдение специального баланса между компонентами сплавов позволяет получать марку сплава, обладающего всеми требуемыми свойствами.
Содержание углерода в составе в соответствии с настоящим изобретением составляет от 0,03 до 0,06 вес.%, так как этот элемент существенно понижает пластичность. Тем не менее, необходимо поддерживать его минимальное содержание на уровне 0,03 вес.%, чтобы избежать любого проявления старения.
Содержание марганца в составе в соответствии с настоящим изобретением составляет от 0,50 до 1,10 вес.%. Марганец повышает предел упругости стали, одновременно значительно снижая ее пластичность. Он также снижает тенденцию к старению. При содержании ниже 0,50 вес.% возникают проблемы старения, тогда как содержание выше 1,10 вес.% отрицательно сказывается на пластичности.
Содержание кремния в составе в соответствии с настоящим изобретением составляет от 0,08 до 0,20 вес.%. Он значительно улучшает предел упругости стали, одновременно незначительно понижая ее пластичность, на зато существенно повышает тенденцию к старению. Если его содержание ниже 0,08 вес.%, сталь перестает обладать хорошими механическими характеристиками, а если это содержание превышает 0,20 вес.%, то сталкиваются с проблемами внешнего вида поверхностей, на которой появляются полосообразные дефекты.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения соотношение между содержанием марганца и содержанием кремния составляет от 4 до 15, чтобы избежать проблемы хрупкости стыковых швов при контактной сварке. Действительно, если выйти за пределы этих значений, то во время этой сварочной операции наблюдается образование охрупчающих оксидов.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения содержание марганца составляет от 0,55 до 0,65 вес.%, а содержание кремния - от 0,08 до 0,12 вес.%. Этот вариант реализации позволяет получать марки стали с улучшенными свойствами пластичности, а также с пределом упругости, превышающим 220 МПа.
В другом предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения содержание марганца составляет от 0,95 до 1,05 вес.%, а содержание кремния - от 0,16 до 0,20 вес.%. Этот вариант реализации позволяет получать марки стали с высокой пластичностью, обладающей повышенной прочностью на растяжение, а также с пределом упругости, превышающим 260 МПа.
Содержание азота в составе должно быть менее 0,007 вес.%, предпочтительно менее 0,005 вес.%, так как этот элемент отрицательно сказывается на механических свойствах стали. Его присутствие в стали в соответствии с настоящим изобретением является результатом производственного процесса.
Содержание бора в составе в соответствии с настоящим изобретением должно быть таким, чтобы
Основной функцией бора является фиксация азота путем раннего осаждения нитридов бора. Поэтому он должен присутствовать в достаточно больших количествах, чтобы избежать сохранения слишком большого количества азота в свободном состоянии, но вместе с тем без чрезмерного превышения стехиометрического количества, так как остающееся свободное количество может создать проблемы металлургического характера, а также привести к окрашиванию краев рулона. В качестве примера следует напомнить, что строгое соблюдение стехиометрии достигается при соотношении B/N, равном 0,77.
Содержание алюминия в составе в соответствии с настоящим изобретением должно находиться в пределах от 0,015 до 0,070 вес.%, чтобы не доходить до критического количества. Присутствие алюминия в марке стали в соответствии с настоящим изобретением обусловлено требованиями к процессу литья, во время которого этот элемент добавляют для восстановления стали. Вместе с тем не следует превышать 0,070 вес.%, так как в этом случае сталкиваются с проблемами включений оксидов алюминия, отрицательно сказывающихся на механических характеристиках стали.
Содержание фосфора в стали в соответствии с настоящим изобретением ограничено значением, меньшим 0,035 вес.%, предпочтительно меньшим 0,015 вес.%. Он позволяет повысить предел упругости марки стали, но в то же время увеличивает тенденцию к старению при термических обработках, чем и объясняется данное ограничение. Он также отрицательно сказывается на пластичности.
Содержание титана в составе должно быть меньше 0,005 вес.%, содержание серы меньше 0,015 вес.%, содержание никеля меньше 0,040 вес.%, содержание меди меньше 0,040 вес.% и содержание молибдена - меньше 0,008 вес.%. В действительности эти элементы являются остаточными после процесса производства марки стали и встречаются чаще всего. Их содержание в составе ограничивают, так как они могут привести к образованию включений, снижающих механические характеристики марки стали.
Вторым объектом настоящего изобретения является способ получения листовой стали с составом в соответствии с настоящим изобретением, в который входят следующие этапы:
- получение стали и отливка сляба;
- горячая прокатка этого сляба для получения листа, при этом температура завершения прокатки превышает температуру точки Ar3;
- сматывание листов в рулоны при температуре от 500 до 700°С;
- холодная прокатка листа при степени обжатия от 50 до 80%;
- термическая обработка перекристаллизации;
- наклеп, осуществляемый при степени поверхностной деформации, предпочтительно находящейся в пределах от 1,2 до 2,5%.
В конце производства сталь можно отливать в виде полуфабриката, такого как сляб, который нагревают до температуры порядка 1230°С - 1260°С для его горячей прокатки, при этом температура конца прокатки превышает точку Ar3, которая в данном случае равна примерно 810°С. Таким способом получают листовую сталь. Температура конца прокатки предпочтительно меньше температуры точки Ar3, увеличенной на 20°С. После этой операции можно производить сматывание полученного таким образом листа в рулон при температуре от 500 до 700°С.
В предпочтительном варианте реализации лист сматывают в рулон при температуре от 580 до 620°С, чтобы ограничить размер зерен, что позволяет повысить предел упругости.
После этого лист прокатывают холодным способом со степенью обжатия от 50 до 80%, предпочтительно от 60 до 70% и подвергают термической обработке - перекристаллизации, в которую входит первый этап статического отжига в водороде при температуре, превышающей температуру перекристаллизации стали, в течение 5-15 часов. В качестве примера эта температура перекристаллизации марки стали, как правило, находится в пределах от 540 до 570°С. Отжиг осуществляют в водороде, чтобы избежать проблем окрашивания кромок листа.
Термическая обработка перекристаллизации предпочтительно дополнительно содержит второй этап медленного статического охлаждения, проходящий в течение более 30 часов, предпочтительно его продолжительность превышает или равна 40 часов. Это охлаждение осуществляют медленно, чтобы убедиться в абсолютной устойчивости цементитовых осаждений в ферритовой матрице. Именно поэтому его осуществляют статическим способом, чтобы получить такой тип медленного охлаждения.
Вместе с тем вполне возможно осуществлять более ускоренное охлаждение и получать результаты в соответствии с настоящим изобретением.
После этого листы можно обрабатывать наклепом при степени поверхнстной деформации, предпочтительно составляющей от 1,2 до 2,5%, например порядка 1,5%, чтобы максимально уменьшить любое образование ступени предела упругости. Предпочтительно не превышать это значение 2,5%, так как это может привести к снижению пластичности, но и не опускать его ниже 1,2%, чтобы избежать проблем старения.
После этого можно переходить к нанесению органического покрытия и к термической обработке для его нормальной фиксации. Такая обработка может, например, содержать быстрый нагрев до 250°С с поддержанием этой температуры в течение приблизительно 30 секунд и с последующим охлаждением.
Для того, чтобы иметь возможность сравнить между собой два варианта термической обработки, осуществляемых при разных температурах и в течение разных промежутков времени, применяют величину, называемую PAREQ, определяемую как
PAREQ=-0,76·log(
exp (-ΔH/RT)·dt,
где ΔН - энергия диффузии углерода в железе (примерно 112 кДж/моль), Т - температура цикла, который интегрируют в продолжительность термической обработки.
Чем выше температура термической обработки и чем больше ее продолжительность, тем ниже значение PAREQ. Два различных вида термической обработки, имеющих идентичное значение PAREQ, приведут к одинаковому результату на одной и той же марке стали.
Если рассматривать процесс термической обработки, в котором сталь доводят до температуры 250°С и выдерживают при этой температуре в течение 30 секунд, то значение PAREQ равно 10,26. В рамках настоящего изобретения нас больше интересуют процессы термической обработки со значением PAREQ, находящимся в пределах от 9,80 до 11,5.
Органические покрытия, о которых идет речь в настоящем изобретении, предпочтительно являются покрытиями, содержащими полимер с сетчатой структурой, и, возможно, металлические шарики, например шарики цинка. Такие покрытия, как правило, наносятся тонким слоем порядка нескольких микрон и предназначены, например, для защиты стали от коррозии.
Если сталь в соответствии с настоящим изобретением специально предназначена для нанесения такого типа покрытия, то, само собой разумеется, что она может применяться в любых случаях, когда необходима ее устойчивость к термическим обработкам при значении PAREQ, находящемся в пределах от 9,80 до 11,50, независимо от того, наносилось до этого на нее покрытие или нет.
Третьим объектом настоящего изобретения является листовой прокат из изотропной стали, имеющей состав в соответствии с настоящим изобретением, а также листовой прокат, полученный согласно способу в соответствии с настоящим изобретением в его различных вариантах.
Предпочтение отдается листовой изотропной стали с содержанием марганца от 0,55 до 0,65 вес.% и с содержанием кремния от 0,08 до 0.12 вес.%, которая после термической обработки имеет значение PAREQ, находящееся в пределах от 9,8 до 11,5, предел упругости, превышающий 220 МПа, удлинение, превышающее 36% и коэффициент упрочнения наклепом, превышающий 0,20.
Предпочтительна также листовая изотропная сталь с содержанием марганца от 0,95 до 1,05 вес.% и с содержанием кремния от 0,16 до 0,20 вес.%, которая после термической обработки имеет значение PAREQ, находящееся в пределах от 9,8 до 11,5, предел упругости, превышающий 260 МПа, прочность на растяжение, превышающая 400 МПа и коэффициент упрочнения наклепом, превышающий 0,18.
Далее настоящее изобретение будет проиллюстрировано на нижеследующих примерах, при этом в прилагаемой таблице приведен состав в вес.% для различных сталей, на которых проводились испытания, среди которых отливки 1-3 соответствуют настоящему изобретению, тогда как отливка 4 приведена для сравнения.
| Отливка 1 | Отливка 2 | Отливка 3 | Отливка 4 | |
| с | 0,041 | 0,045 | 0,038 | 0,025 |
| Mn | 0,853 | 0,989 | 0,598 | 0,227 |
| Si | 0,089 | 0,167 | 0,088 | 0,006 |
| N | 0,0035 | 0,0042 | 0,0032 | 0,0041 |
| В | 0,0026 | 0,0029 | 0,0051 | - |
| Al | 0,035 | 0,031 | 0,038 | 0,050 |
| P | 0,007 | 0.0065 | 0,007 | 0,006 |
| S | 0,011 | 0,0056 | 0.01 | 0,012 |
| Cu | 0,018 | 0,025 | 0,012 | 0,010 |
| Ni | 0,020 | 0,022 | 0,019 | 0,017 |
| Cr | - | 0,028 | - | 0,032 |
| Ti | 0,0012 | 0,001 | - | 0,002 |
| Nb | - | - | - | 0,016 |
| Mo | 0,0012 | - | 0,008 | - |
Остальная часть состава отливок 1-4, естественно, является железом и возможными производственными примесями.
Применяемые сокращения:
А: удлинение при разрыве, %
Re: предел упругости, МПа
Rm: прочность на растяжение, МПа
п: коэффициент упрочнения наклепом
Δr: коэффициент плоской анизотропии
r: коэффициент анизотропии
Пример 1 - Предел упругости и прочность на растяжение
Получают лист стали с составом каждой из отливок 1 - 3 в соответствии с настоящим изобретением, а также из сравнительной отливки 4, при этом отливают сляб, который нагревают примерно до 1230°С и затем прокатывают горячим способом при средней конечной температуре прокатки 860°С. Сматывают рулоны при температуре примерно 585°С, затем осуществляют холодную прокатку со степенью обжатия 73%.
После этого осуществляют отжиг в водороде примерно при 630°С примерно в течение 7 часов с последующим медленным охлаждением в течение 30 часов. Завершают процесс наклепом с уровнем поверхностной деформации 1,5%.
Затем проводят первое испытание на растяжение в направлении, поперечном направлению прокатки, по стандарту NF EN 10002-1.
После этого лист подвергают термической обработке со значением PAREQ, равным 10,26, и проводят второе испытание на растяжение по стандарту NF EN 10002-1. Термическая обработка содержит нагрев до 250°С со скоростью нагрева 35°С в секунду с последующим выдерживанием при этой температуре в течение 30 секунд.
Таким путем определяют значения предела упругости и механической прочности листа и получают следующие результаты:
| Отливка 1 | Отливка 2 | Отливка 3 | Отливка 4 | |||||
| Re (МПа) | Rm (МПа) | Re (МПа) | Rm (МПа) | Re (МПа) | Rm (МПа) | Re (МПа) | Rm (МПа) | |
| До термической обработки | 241 | 373 | 258 | 400 | 243 | 357 | 262 | 353 |
| После термической обработки | 247 | 380 | 266 | 396 | 240 | 355 | 329 | 355 |
Как видно из таблицы, уровни Re и Rm отливок 1 - 3 в соответствии с настоящим изобретением после термической обработки не ухудшились, что подтверждает устойчивость стали в соответствии с настоящим изобретением к такой обработке.
Следует также отметить прекрасные значения, полученные для отливки 2 в соответствии с настоящим изобретением, в которой предел упругости превышает 260 МПа, а прочность на растяжение составляет 400 МПа.
Пример 2 - Пластичность
При помощи испытаний, описанных в примере 1, известным способом определяют удлинение при разрыве А и коэффициент упрочнения наклепом n для вех четырех отливок.
Кривые растяжения прежде всего свидетельствуют о том, что для отливок 1-3 в соответствии с настоящим изобретением не наблюдалось ни одной ступени предела упругости как до термической обработки, так и после нее. Что же касается отливки 4, при которой отмечалась небольшая ступень до термической обработки, то после этой термической обработки она уже составила более 10%, что делает такую сталь совершенно несовместимой с задачами, поставленными перед настоящим изобретением. Другие результаты приведены в следующей таблице:
| Отливка 1 | Отливка 2 | Отливка 3 | Отливка 4 | |||||
| А(%) | N(%) | А(%) | n(%) | А(%) | n(%) | А(%) | n(%) | |
| До термической обработки | 34,7 | 0,198 | 32,3 | 0,195 | 35,6 | 0,207 | 35,5 | 0,193 |
| После термической обработки | 34,9 | 0,190 | 34,3 | 0,180 | 36,5 | 0,202 | 34,7 | 0,216 |
При рассмотрении этих результатов отмечается хороший показатель значений удлинения при разрыве, что позволяет гарантировать нормальное изготовление деталей штамповкой. Получен также хороший коэффициент упрочнения наклепом n, гарантирующий нормальный уровень предела упругости для готовых деталей благодаря эффекту упрочнения от наклепа во время штамповки (так называемый эффект "Work Hardening").
Отмечается также, что отливка 3 в соответствии с настоящим изобретением отличается прекрасными показателями пластичности, удлинения при разрыве, а также коэффициента упрочнения наклепом.
Значения, полученные для сравнительной отливки 4, приводятся в качестве примера, так как эти значения не являются принципиальными при наличии ступени более 10%.
Пример 3 - Изотропия
Общую анизотропию стали определяют при помощи среднего коэффициента нормальной анизотропии г:
где r(0), r(90) и r(45) являются значениями коэффициентов нормальной анизотропии г в продольном направлении, поперечном направлении и в направлении под углом 45° к направлению прокатки.
Коэффициент плоскостной анизотропии Ar может быть определен:
Коэффицциенты определяют на листах до и после их термической обработки, аналогичной термической обработке, описанной в примере 1. Результаты приведены в следующей таблице:
| Отливка 1 | Отливка 2 | Отливка 3 | Отливка 4 | |||||
| r | Δr | r | Δr | r | Δr | r | Δr | |
| До термической обработки | 1,27 | 0,17 | 1,25 | 0,11 | 1,30 | 0,25 | 1,33 | 0,19 |
| После термической обработки | 1,25 | 0,20 | 1,23 | 0,11 | 1,26 | 0,24 | 1,47 | 0,21 |
Значения, полученные для сравнительной отливки 4, приводятся в качестве примера, так как эти значения не являются принципиальными при наличии ступени более 10%.
Отмечается, что изотропия отливок стали в соответствии с настоящим изобретением в среднем является хорошей и повышает их способность к глубокой штапмовке, при этом подчеркивается особенно примечательное значение Δr отливки 2.
Действительно, авторы настоящего изобретения пришли к выводу, что образующиеся в ходе контролируемого процесса в стали нитриды бора осаждаются на горячем листе и не мешают последующей перекристаллизации. Таким образом, листовая сталь в соответствии с настоящим изобретением представляет собой микрографическую зернистую структуру, с удлинением, близким к 1, и с низкими значениями коэффициента анизотропии r.
1. Сталь, состав которой содержит, вес.%: 0,03≤С≤0,06; 0,50≤Mn≤1,10; 0,08≤Si≤0,20; 0,015≤А1≤0,070; N≤0,007; Ni≤0,040; Cu≤0,040; Р≤0,035; S≤0,015; Мо≤0,008; Ti≤0,005, при этом имеется в виду, что она содержит также бор в таком количестве, что
а остальная часть состава является железом и производственными примесями.
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что содержание марганца и содержание кремния являются такими, что
3. Сталь по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что содержание марганца составляет от 0,55 до 0,65 вес. %, а содержание кремния - от 0,08 до 0,12 вес. %.
4. Сталь по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что содержание марганца составляет от 0,95 до 1,05 вес. %, а содержание кремния - от 0,16 до 0,20 вес. %.
5. Сталь по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что содержание азота меньше 0,005 вес. %.
6. Сталь по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что содержание фосфора меньше 0,015 вес. %.
7. Способ получения листовой стали с составом по любому из пп.1 - 6, содержащий следующие этапы:
получение стали и отливка сляба,
горячая прокатка этого сляба для получения листа, при этом температура завершения прокатки превышает температуру точки Ак3,
сматывание листов в рулоны при температуре от 500 до 700°С,
холодная прокатка листа при степени обжатия от 50 до 80%, предпочтительно от 60 до 78%,
термическая обработка перекристаллизации,
наклеп, осуществляемый при степени поверхностной деформации, предпочтительно находящейся в пределах от 1,2 до 2,5%.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что указанная термическая обработка перекристаллизации является статическим отжигом в водороде, осуществляемым при температуре, превышающей температуру перекристаллизации стали, в течение 5-15 ч с последующим медленным статическим охлаждением в течение более 30 ч.
9. Способ по любому из пп.7 и 8, отличающийся тем, что на прошедший обработку наклепом лист наносят органическое покрытие, затем лист с нанесенным покрытием подвергают термической обработке со значением PAREQ, находящимся в пределах от 9,80 до 11,5.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанное органическое покрытие выполнено на основе полимера с сетчатой структурой и содержит металлические шарики.
11. Листовой прокат из изотропной стали с составом по любому из пп.1-6.
12. Листовой прокат из изотропной стали, получаемый при помощи способа по любому из пп.7-10.
13. Листовой прокат из изотропной стали по любому из пп.11 и 12, отличающийся тем, что содержание марганца в стали составляет от 0,55 до 0,65 вес. %, а содержание кремния составляет от 0,08 до 0,12 вес. %, и тем, что после термической обработки при значении PAREQ, находящемся в пределах от 9,8 до 11,5, имеет предел упругости, превышающий 220 МПА, удлинение, превышающее 36%, и коэффициент упрочнения наклепом, превышающий 0,20.
14. Листовой прокат из изотропной стали по любому из пп.11 и 12, отличающийся тем, что содержание марганца в стали составляет от 0,95 до 1,05 вес.%, а содержание кремния составляет от 0,16 до 0,20 вес.%, и тем, что после термической обработки при значении PAREQ, находящемся в пределах от 9,8 до 11, 5, имеет предел упругости, превышающий 260 МПа, сопротивление растяжению, превышающее 400 МПа, и коэффициент упрочнения наклепом, превышающий 0,18.
