Способ производства холоднокатаной полосы из малоуглеродистой стали

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к технологии изготовления холоднокатаных полос из стабилизированной алюминием нестареющей малоуглеродистой стали с высокими вытяжными свойствами для холодной штамповки деталей легковых автомобилей. Для повышения качества выхода годных холоднокатаных полос рекристаллизационный отжиг рулонов полосы проводят путем нагрева сначала до промежуточной температуры со средней скоростью 60÷160°С/ч, после чего производят нагрев со скоростью 7÷9°С/ч до температуры 570÷630°С, окончательный нагрев ведут со скоростью 30÷50°С/ч, а продолжительность выдержки при температуре отжига устанавливают равной 12-18 ч. Охлаждение рулонов до температуры 680÷695°С ведут со скоростью 10÷50°С/ч и затем завершают с произвольной скоростью, а предшествующую отжигу холодную прокатку ведут с суммарным обжатием 70÷86%. Кроме того, малоуглеродистая сталь имеет следующий химический состав, мас.%: 0,020÷0,050 С; 0,08÷0,28 Mn; Si≤0,020; 0,01-0,06 Al; N≤0,011; Fe и примеси - остальное. 3 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к технологии изготовления холоднокатаных полос из стабилизированной алюминием нестареющей малоуглеродистой стали с высокими вытяжными свойствами для холодной штамповки деталей легковых автомобилей.

Известен способ производства листового проката, включающий холодную прокатку горячекатаных полос и рекристаллизационный отжиг рулонов в колпаковой печи с нагревом до температуры 200÷400°С, выдержкой 4÷6 ч, повторным нагревом до температуры 620°С с выдержкой 8÷10 ч, окончательным нагревом до температуры отжига 690÷710°С с выдержкой 28 ч и последующим охлаждением [1].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не позволяет обеспечить заданные механические свойства холоднокатаных полос для весьма особо сложной вытяжки.

Известен также способ производства полос из малоуглеродистой стали марки 08Ю с различным содержанием азота и алюминия. Способ включает холодную прокатку горячекатаных полос до заданной толщины и двухступенчатый рекристаллизационный отжиг по режиму: нагрев до промежуточной температуры 330÷370°С с нерегламентированной скоростью, выдержка, окончательный нагрев до температуры отжига 710°С со скоростью, определяемой по математической формуле в зависимости от содержания азота и алюминия в стали, температуры конца горячей прокатки полос и суммарного обжатия при холодной прокатке [2].

Недостатки известного способа состоят в том, что холоднокатаные отожженные полосы имеют нестабильные свойства по длине, что снижает их качество и выход годного.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства холоднокатаной полосы из малоуглеродистой стали марки 08Ю, стабилизированной алюминием. Способ включает холодную прокатку горячекатаных травленых полос с суммарным обжатием до 65%, рекристаллизационный двухступенчатый отжиг рулонов по режиму: нагрев до промежуточной температуры 450÷550°С, выдержка, повторный нагрев до температуры отжига 680÷720°С, выдержка при температуре отжига и охлаждение. При этом малоуглеродистая сталь марки 08Ю (ГОСТ 9045) имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод, не более	0,070
Марганец	0,25÷0,35
Кремний, не более	0,01
Алюминий	0,02÷0,07
Железо и примеси	остальное

[3] - прототип.

При производстве холоднокатаных полос по известному способу, вследствие неизбежно существующих колебаний химического состава стали (в пределах, определяемых ее маркой) и неравномерности температурно-временных параметров отжига отдельных витков рулонов садки, в процессе рекристаллизационного отжига формируются низкие и нестабильные механические свойства, не соответствующие высшей категории вытяжки ВОСВ-Т (таблица 1), что является причиной снижения качества и выхода годных холоднокатаных полос.

Таблица 1
Механические свойства холоднокатаных полос категории вытяжки ВОСВ-Т
σВ, Н/мм2	σТ, Н/мм2,не более	δ4, %, не менее	R90, не менее	n90, не менее
250-320	175	44	2,0	0,21
Примечание: R90 и n90 -коэффициент нормальной пластической анизотропии и показатель деформационного упрочнения соответственно.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества выхода годных холоднокатаных полос. Для этого в известном способе производства холоднокатаной полосы из малоуглеродистой стали, включающем холодную прокатку и рекристаллизационный отжиг рулонов с нагревом до промежуточной температуры 450÷550°С, и окончательным нагревом до температуры отжига 700÷730°С, выдержкой и охлаждением, согласно предложению нагрев до промежуточной температуры проводят со средней скоростью 60÷160°С/ч, после чего производят нагрев со скоростью 7÷9°С/ч до температуры 570÷630°С, окончательный нагрев ведут со скоростью 30÷50°С/ч, а продолжительность выдержки при температуре отжига устанавливают равной 12÷18 ч. Охлаждение до температуры 680÷695°С ведут со скоростью 10÷50°С/ч и затем завершают с произвольной скоростью, а холодную прокатку ведут с суммарным обжатием 70÷86%. Кроме того, малоуглеродистая сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,020÷0,050
Марганец	0,08÷0,28
Кремний, не более	0,020
Алюминий	0,01÷0,06
Азот, не более	0,011
Железо и примеси	остальное

Сущность изобретения состоит в следующем. Холодная прокатка в относительно узком интервале суммарного обжатия 70÷86% позволяет перевести полосы независимо от их толщины в одинаковое (насыщенное по пределу прочности) деформированное состояние, уменьшив, тем самым, влияние нестабильности механических свойств горячекатаного подката по длине, стимулирует одновременное начало рекристаллизации деформированных зерен микроструктры при отжиге рулонов. При суммарном обжатии менее 70% возрастает неравномерность механических свойств полос и снижается выход годного. Увеличение суммарного обжатия более 86% приводит к подавлению текстурной компоненты {111} и ухудшению вытяжных свойств.

Нагрев рулонов со скоростью 60÷160°С/ч до промежуточной температуры 450÷550°С позволяет, с одной стороны, исключить появление термических напряжений, способных привести в дальнейшем к свариванию витков рулонов, и, с другой стороны, минимизировать время этого периода нагрева. Снижение скорости нагрева менее 60°С/ч, как и промежуточной температуры ниже 450°С, не повышает качество и выход годного, а лишь удлиняет цикл нагрева. Увеличение скорости нагрева более 160°С/ч приводит к неравномерному прогреву рулонов, нестабильности свойств. Увеличение промежуточной температуры более 550°С способствует формированию неравномерной структуры рекристаллизованного феррита, что ухудшает показатели вытяжных свойств R₉₀ и n₉₀.

Повторный замедленный нагрев со скоростью 7÷9°С/ч до температуры 570÷630°С позволяет выровнять температурные поля по сечению всех рулонов садки перед наиболее ответственным нагревом для рекристаллизации. В то же время подъем температуры с указанной интенсивностью (вместо выдержки при постоянной промежуточной температуре как в способе-прототипе), не ухудшая конечных механических свойств холоднокатаных полос, сокращает общую продолжительность отжига. При скорости повторного нагрева менее 7°С/ч, а также температуре его окончания выше 630°С удлиняется продолжительность нагрева без повышения качества холоднокатаных полос и выхода годного. Увеличение скорости повторного нагрева более 9°С/ч или снижение его температуры менее 570°С приводит к неравномерности прогрева рулонов перед началом процесса первичной рекристаллизации. В результате холоднокатаные полосы приобретают неравномерные механические свойства по длине, что снижает их качество и выход годного.

В процессе окончательного нагрева со скоростью 30÷50°С/ч в малоуглеродистой стали с наклепом 70÷86% стартуют процессы рекристаллизации, причем, с увеличением числа центров рекристаллизации по мере подъема температуры, тормозится преимущественный рост отдельных ферритных зерен. Это способствует формированию более равномерной микроструктуры и свойств отожженной малоуглеродистой стали. Увеличение скорости окончательного нагрева более 50°С/ч приводит к неравномерности механических свойств, снижению выхода годного. Уменьшение скорости окончательного нагрева менее 30°С/ч не повышает качества холоднокатаных полос и выхода годного, а лишь удлиняет цикл нагрева, вследствие чего нецелесообразно.

Выдержка при температуре отжига 700÷730°С в течение 12÷18 ч обеспечивает полное завершение всех стадий процесса рекристаллизации, коагуляции карбидных частиц стали предложенного химического состава. При этом формируются заданные и стабильные механические свойства холоднокатаных полос. Увеличение температуры отжига более 730°С или времени выдержки сверх 18 ч не исключает сваривания витков рулонов, снижает прочность (σ_В) ниже допустимой на внешних и внутренних витках рулонов. Это приводит к снижению стабильности механических свойств по длине полос и выхода годного. Уменьшение температуры отжига ниже 700°С, как и сокращение продолжительности выдержки менее 12 ч, не обеспечивает получение требуемых пластических (δ₄) и вытяжных (R₉₀, n₉₀) свойств по всей длине полос.

В процессе замедленного охлаждения со скоростью 10÷50°С/ч от температуры отжига 700÷730°С до температуры 680÷695°С завершается собирательная рекристаллизация микроструктуры, а также снижается возможность роста структурных и термических напряжений ферритной металлической матрицы, что способствует полному выделению нитридов. Это оказывает благоприятное воздействие на штампуемость холоднокатаных полос. Тем не менее, уменьшение скорости замедленного охлаждения менее 10°С/ч или температуры его окончания ниже 680°С приводит к росту отдельных ферритных зерен, ухудшению механических свойств и нерациональному удлинению цикла отжига. Увеличение скорости замедленного охлаждения более 50°С/ч или температуры его окончания более 695°С не способствуют полному выделению нитридов из ферритной матрицы. В результате механические свойства ухудшаются и становятся нестабильными по длине полос. Это снижает их качество и выход годного.

Углерод в данной стали является основным упрочняющим элементом. При снижении концентрации углерода менее 0,02% прочностные свойства (σ_В) отожженных холоднокатаных полос недостаточны. Увеличение концентрации углерода сверх 0,05% снижает ее пластические (δ₄) и вытяжные (R₉₀, n₉₀) свойства.

Марганец раскисляет сталь, обеспечивает требуемое сочетание прочности и пластичности. При содержании марганца менее 0,08% сталь недостаточно раскислена и упрочнена. Увеличение его содержания сверх 0,28% приводит к возрастанию σ_т более допустимого значения, ухудшает стабильность свойств холоднокатаных полос, снижает их пластичность.

Кремний введен в сталь для раскисления, упрочнения стали и замедления роста рекристаллизованных зерен в искаженной холодной прокаткой микроструктуре. Однако увеличение концентрации кремния более 0,02% ухудшает вытяжные свойства холоднокатаных полос.

Алюминий, связывая азоты в нитриды, предотвращает деградацию свойств холоднокатаных полос в результате старения. При концентрации алюминия менее 0,01% холоднокатаная отожженная сталь сохраняет склонность к старению. Увеличение концентрации алюминия более 0,06% ухудшает вытяжные свойства холоднокатаных полос.

Азот является вредной примесью. При его концентрации более 0,011% ухудшаются пластические и вытяжные свойства холоднокатаных полос, снижается их качество и выход годного.

Примеры реализации способа.

В кислородном конвертере емкостью 300 тонн выплавляют малоуглеродистую сталь следующего состава, мас.%:

С	Mn	Si	Al	N	Fe+примеси
0,035	0,18	0,006	0,035	0,008	остальное

Выплавленную сталь разливают на машине непрерывного литья заготовок в слябы сечением 250×1280 мм.

Отлитые слябы загружают в газовую печь с шагающими балками, нагревают до температуры аустенитизации 1200°С. Слябы последовательно выталкивают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 1700 и прокатывают до толщины 3,5 мм. Температуру полос на выходе из последней клети чистовой группы стана поддерживают равной Т_кп=830°С. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге стана охлаждают водой до температуры Т_см=620°С, после чего сматывают в рулоны.

Охлажденные рулоны подвергают сернокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате.

Травленые полосы в рулонах прокатывают на 5-клетевом стане кварто бесконечной холодной прокатки с толщины 3,5 мм до толщины 0,8 мм с суммарным обжатием ε_Σ, равным:

Холоднокатаные полосы в рулонах загружают в садочную печь с водородной защитной атмосферой и нагревают со средней скоростью V₁=110°C/ч до промежуточной температуры T₁=500°C. После этого скорость нагрева снижают до величины V₂=8,0°С/ч и продолжают нагрев рулонов до температуры Т₂=720°С. Окончательный нагрев ведут со скоростью V₃=40°С/ч до температуры отжига Т₃=720°С, при которой рулоны выдерживают в течение времени τ=15 ч.

После окончания выдержки при температуре отжига рулоны охлаждают с регламентированной скоростью V_ро=30°C/ч до температуры Т_ро=690°С/ч. Завершающее охлаждение рулонов производят с произвольной (максимально возможной) скоростью.

Отожженные полосы подвергают дрессировке на одноклетевом стане кварто 1700 с обжатием 1,2%.

В таблице 2 даны химические составы малоуглеродистых сталей, стабилизированных алюминием. В таблице 3 приведены режимы производства холоднокатаных полос, а в таблице 4 - показатели их эффективности.

Таблица 2
Химический состав малоуглеродистых сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
	С	Mn	Si	Al	N	Fe+примеси
1.	0,019	0,07	0,002	0,009	0,005	остальное
2.	0,020	0,08	0,003	0,01	0,006	-:-
3.	0,035	0,18	0,006	0,035	0,008	-:-
4.	0,050	0,28	0,020	0,06	0,011	-:-
5.	0,060	0,29	0,022	0,07	0,012	-:-
6.	0,045	0,30	0,009	0,07	не регл.	-:-
(08Ю)

Таблица 3
Режимы производства холоднокатаных полос
№ п/п	№ состава	εΣ, %	V1, °С/ч	T1, °С	V2, °С/ч	Т2, °C	V3, °С/ч	Т3, °С	τ, ч	Vpo, °С/ч	Тро, °C
1.	5	82	170	560	6,9	640	29	740	19	60	700
2.	2	86	160	550	7,0	630	30	730	18	50	695
3.	3	77	110	500	8,0	600	40	720	15	30	690
4.	4	70	60	450	9,0	570	50	700	12	10	680
5.	1	69	62	440	9,2	560	69	690	11	9	670
6.	6	60	82	500	-	-	44	720	23	-	-

Таблица 4
Показатели качества и выход годных полос категории ВОСВ-Т
№ п/п	σВ, Н/мм2	σТ, Н/мм2	δ4, %	R90	n90	Выход годного, %
1.	320÷350	170÷190	36÷44	1,7÷2,0	0,16-0,21	41,3
2.	350	175	47	2,2	0,23	100,0
3.	285	160	48	2,4	0,24	100,0
4.	250	155	47	2,3	0,23	100,0
5.	230÷250	160÷180	39÷44	1,8÷2,1	0,19÷0,22	57,6
6.	270÷330	170÷210	40÷46	1,6÷2,0	0,15÷0,21	54,7

Из табл.2-4 следует, что при реализации предложенного способа (варианты 2-4) достигается повышение уровня и равномерности механических свойств холоднокатаных полос: значения δ₄, R₉₀, и n₉₀ стабильны и максимальны. В результате этого качество и выход годных полос возрастают. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты производства №1 и №5) имеет место снижение уровня и стабильности механических свойств холоднокатаных полос, что снижает их качество и выход годного. Способ-прототип, использующий сталь марки 08Ю (вариант 6), также не обеспечивает требуемого качества металлопродукции, выход годных полос остается низким.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что при его реализации за счет режимов деформационно-термической обработки и химического состав стали достигается формирование стабильной микроструктуры, обеспечивающей повышение механических свойств и, за счет этого, выход годных холоднокатаных полос.

В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства холоднокатаных полос из малоуглеродистой стали, стабилизированной алюминием, категории ВОСВ-Т (весьма особо сложной вытяжки, технологичной) для штамповки деталей кузовов легковых автомобилей.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения

1. Авт. свид. СССР №1461771, МПК C 21 D 9/46, 1989 г.

2. Авт. свид. СССР №1475942, МПК C 21 D 9/48, 1989 г.

3. Гусева С.С. и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М., Металлургия, 1979, с.15-25 - прототип.

1. Способ производства холоднокатаной полосы из малоуглеродистой стали, включающий холодную прокатку и рекристаллизационный отжиг рулонов с нагревом до промежуточной температуры 450-550°С и окончательным нагревом до температуры отжига 700-730°С, выдержкой и охлаждением, отличающийся тем, что нагрев до промежуточной температуры проводят со средней скоростью 60-160°С/ч, после чего производят нагрев со скоростью 7-9°С/ч до температуры 570-630°С, окончательный нагрев ведут со скоростью 30-50°С/ч, а продолжительность выдержки при температуре отжига устанавливают равной 12-18 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение до температуры 680-695°С ведут со скоростью 10-50°С/ч и затем завершают с произвольной скоростью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что холодную прокатку ведут с суммарным обжатием 70-86%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что малоуглеродистая сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,020-0,050
Марганец	0,08-0,28
Кремний	не более 0,020
Алюминий	0,01-0,06
Азот	не более 0,011
Железо и примеси	Остальное