Способ производства горячекатаного проката повышенной прочности
Владельцы патента RU 2361930:
Открытое акционерное общество "Северсталь" (ОАО "Северсталь") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячекатаного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. Для повышения прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости и получения горячекатаного проката требуемого класса прочности производят выплавку стали, содержащей, мас.%: углерод 0,045-0,12, кремний не более 0,50, марганец 0,35-1,15, алюминий 0,01-0,09, азот не более 0,010, ниобий и/или титан - 0,01-0,08, железо и неизбежные примеси - остальное, разливку, горячую прокатку с температурой конца в диапазоне 830-880°С, охлаждение водой, смотку полос в рулоны в диапазоне 510-640°С. Сталь дополнительно содержит, мас.%: ванадий 0,01-0,08, кальций 0,0005-0,010, при этом суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не должно превышать 0,117 мас.%. 6 з.п. ф-лы, 6 табл.
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячекатаного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки.
Одним из определяющих качеств автолиста является его способность к вытяжке при штамповке деталей автомобиля. Горячекатаные полосы с повышенной прочностью и высокой способностью к вытяжке в зависимости от класса прочности должны соответствовать определенному комплексу механических свойств, например, согласно требованиям европейского стандарта EN 10149 (таблица 1):
| Таблица 1 | |||||
| Класс прочности* | Марка | Минимальный предел текучести (RеH), Н/мм2 | Временное сопротивление (Rm), Н/мм2 | Минимальное относительное удлинение А, % | |
| <3 мм Lc=80 мм | >3 мм Lc=5,65√S0 | ||||
| 315 | S315MC | 315 | 390-510 | 20 | 24 |
| 355 | S355MC | 355 | 430-550 | 19 | 23 |
| 420 | S420MC | 420 | 480-620 | 16 | 19 |
| 460 | S460MC | 460 | 520-670 | 14 | 17 |
| 500 | S500MC | 500 | 550-700 | 12 | 14 |
| Примечание: *Класс прочности заложен в наименование марки по EN 10292-04. Числовое значение соответствует минимальному пределу текучести. |
Известен способ производства горячекатаных полос из стали с содержанием углерода до 0,1 вес.%, в котором при горячей прокатке температуру конца прокатки принимают равной 860-890°С, душирование полос начинают через 7-9 с после конца прокатки, а температуру смотки принимают равной 640-700°С, при этом дрессировку полос для получения их матовой поверхности осуществляют в валках с высотой микронеровностей бочек Ra=2,2-2,7 мкм и для получения шероховатостей поверхности - с Ra=2,9-4,0 мкм [Патент РФ №2255990, МПК С21D 8/04, 10.07.2005 г.].
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 315 до 500.
Известен способ производства горячекатаных полос из стали с содержанием углерода в пределах 0,01-0,1%, в котором при горячей прокатке температуру конца прокатки принимают равной 780-800°С, охлаждение до температуры смотки ведут со скоростью 9-13 град/с, травление ведут при 60-80°С, а дрессировку проводят с относительным обжатием 0,5-1,0% [Патент РФ №2164248, МПК С21D 8/04, С21D 9/46, 20.03.2001 г.].
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств классов прочности от 315 до 500.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства горячекатаных полос, включающий выплавку сверхнизкоуглеродистой стали с примесями серы и азота, легированной титаном с содержанием элементов, удовлетворяющим соотношению Ti/(4·C+3,43·N+1,5·S)=1÷1,5, при котором горячую прокатку завершают при температуре 885-915°С, охлаждение ведут до температуры 685-715°С, затем полосы подвергают дрессировке с обжатием 0,8-1,2% [Патент РФ №2202630, МПК С21D 8/04, 20.04.2003 г.] - прототип.
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 315 до 500.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получение горячекатаного проката требуемого класса прочности.
Технический результат достигается тем, что в способе производства горячекатаного проката повышенной прочности, включающем выплавку низколегированной стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую углерод 0,045-0,12%, кремний - не более 0,50%, марганец - 0,35-1,15%, алюминий - 0,01-0,09%, азот - не более 0,010%; ниобий и/или титан - 0,01-0,08% каждого, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 510-640°С. Сталь может дополнительно содержать ванадий в количестве 0,01-0,08%, а также кальций в количестве 0,0005-0,010%, при этом суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не должно превышать 0,117 мас.%.
Согласно изобретению содержание углерода, марганца и суммарное содержание ниобия, титана и ванадия связаны с требуемым классом прочности соотношениями:
где [С] - содержание углерода в стали, %;
[Mn] - содержание марганца в стали, %;
[Nb+Ti+V] - суммарное содержание ниобия, титана, ванадия, %;
0,0002, 0,002, 0,0022, 0,15, 0,013 - эмпирические коэффициенты, %;
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
Сущность изобретения состоит в следующем. На механические свойства холоднокатаной листовой стали влияют как химический состав стали, так и режимы деформационно-термической обработки.
Углерод - один из упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,045% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,12% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.
Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент. При содержании кремния в стали более 0,50% резко снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали.
Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств. При содержании марганца менее 0,35% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,15% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.
Алюминий введен в сталь как раскислитель. При содержании алюминия менее 0,01% снижается пластичность стали, сталь становится склонной к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,09% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.
Азот упрочняет сталь. При содержании азота более 0,010% сталь становится склонной к старению.
Ниобий, титан и ванадий применены как легирующие элементы и обеспечивают получение необходимых прочностных свойств. При содержании ниобия, титана, ванадия менее 0,01% не удается получить требуемый уровень прочности. Увеличение содержания ниобия, титана или ванадия более 0,08% нецелесообразно вследствие чрезмерного упрочнения стали и ухудшения пластичности.
Кальций применен в пределах 0,0005-0,010% как высокоактивный элемент для усиливающего раскисляющего действия алюминия и удаления из расплава в шлак фосфора, серы, кислорода, что приводит к изменению фазового состава и улучшения формы (глобулязации) оксидных включений, а также уменьшению их количества.
Горячая прокатка с температурами конца прокатки 830-880°С и смотки 510-640°С обеспечивает формирование оптимальной текстуры металла с преобладающей кристаллографической ориентировкой <111>, а также микроструктуры с высокой стабильностью и равномерностью. Ниже и выше заявленных температурных пределов технический результат не достигался, а именно сталь приобретала структуру с неблагоприятной для холодной штамповки текстурой и неравномерную микроструктуру ферритной матрицы.
Экспериментально установлено, что верхний предел суммарного содержания ниобия, титана и ванадия ограничен значением 0,117%. При увеличении суммарного содержания [Nb+Ti+V] более 0,117% ухудшается пластичность проката из-за чрезмерного упрочнения стали.
Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода, марганца, а также суммарного содержания ниобия, титана и ванадия должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [С]=(0,0002·Кпр+0,002)±0,02, %; [Мn]=(0,0022·Кпр-0,15)±0,20, %; [Nb+Ti+V]=(0,0002·Кпр-0,013)±0,03, %.
Примеры реализации способа
В кислородном конвертере выплавляли низколегированные стали, химический состав которых приведен в таблице 2.
Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1280 мм. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками до температуры 1250°С в течение 2,5-3,5 часов и прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,5-3,5 мм. Температура полос на выходе из последней клети стана регламентирована. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге охлаждали водой до определенных температур и сматывали в рулоны. Охлажденные рулоны подвергали солянокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате.
| Таблица 2 Химический состав низколегированных сталей |
||||||||||
| № состава | Содержание элементов, мас.% | |||||||||
| С | Si | Mn | Al | N | Nb | Ti | V | Са | Fe и неизбежные примеси | |
| 1 | 0,03 | 0,03 | 0,30 | 0,05 | 0,006 | 0,004 | 0,003 | 0,003 | 0,0002 | Ост. |
| 2 | 0,045 | 0,003 | 0,35 | 0,05 | 0,005 | 0,010 | 0,005 | 0,005 | 0,0005 | Ост. |
| 3 | 0,07 | 0,20 | 0,70 | 0,01 | 0,005 | 0,030 | 0,010 | 0,005 | 0,005 | Ост. |
| 4 | 0,08 | 0,42 | 0,82 | 0,04 | 0,010 | 0,002 | 0,002 | 0,080 | 0,010 | Ост. |
| 5 | 0,09 | 0,45 | 0,93 | 0,05 | 0,006 | 0,003 | 0,080 | 0,013 | 0,0004 | Ост. |
| 6 | 0,12 | 0,50 | 1,15 | 0,09 | 0,005 | 0,080 | 0,025 | 0,010 | 0,0007 | Ост. |
| 7 | 0,13 | 0,55 | 1,20 | 0,05 | 0,011 | 0,085 | 0,015 | 0,025 | 0,011 | Ост. |
| 8 (прототип) | 0,003 | - | - | - | 0,005 | - | 0,051 | - | - | Ост. |
| Примечание: состав №8 содержит серу в количестве 0,008 мас.% |
В таблице 3 приведены варианты реализации способа производства горячекатаного проката, а также показатели механических свойств.
| Таблица3 Технологические параметры производства горячительного проката и показатели механических свойств |
|||||
| № состава | Температура конца прокатки Ткп,°С | Температура смотки Тсм, °С | Предел текучести σт (ReH), Н/мм2 | Предел прочности σв, (Rm), Н/мм2 | Относительное удлинение δ80, (А), % |
| 1 | 885 | 665 | 280 | 350 | 29 |
| 2 | 880 | 640 | 345 | 405 | 26 |
| 3 | 855 | 620 | 380 | 455 | 23 |
| 4 | 845 | 580 | 435 | 505 | 21 |
| 5 | 840 | 550 | 475 | 530 | 17 |
| 6 | 830 | 510 | 515 | 560 | 14 |
| 7 | 827 | 505 | 530 | 580 | 10 |
| 8 (прототип) | 900 | 700 | 230-235 | 340-345 | δ1038 |
В таблицах 4-6 указано необходимое содержание углерода, марганца и [Nb+Ti+V] согласно зависимостям (1), (2), (3).
| Таблица 4 Минимальное и максимальное содержание углерода, рассчитанное согласно зависимости [C]=(0,0002·Kпр+0,002)±0,02, % |
||||
| № состава | Содержание С, мас.% | Требуемый класс прочности Кпр | Содержание С, мас.% согласно зависимости [С]=(0,0002·Кпр+0,002)±0,02, % | |
| Cmin | Cmax | |||
| 1 | 0,03 | 315 | 0,045 | 0,085 |
| 2 | 0,045 | 315 | 0,045 | 0,085 |
| 3 | 0,07 | 355 | 0,053 | 0,093 |
| 4 | 0,08 | 420 | 0,066 | 0,106 |
| 5 | 0,09 | 460 | 0,074 | 0,114 |
| 6 | 0,12 | 500 | 0,082 | 0,122 |
| 7 | 0,13 | 500 | 0,082 | 0,122 |
| 8 (прототип) | 0,03 | 315 | 0,045 | 0,085 |
| Таблица 5 Минимальное и максимальное содержание марганца, рассчитанное согласно зависимости [Mn]=(0,0022·Kпр-0,15)±0,20, % |
||||
| № состава | Содержание Мn, мас.% | Требуемый класс прочности Kпр | Содержание Мn, мас.% согласно зависимости [Мn]=(0,0022·Кпр-0,15)±0,20, % | |
| Mnmin | Mnmax | |||
| 1 | 0,30 | 315 | 0,343 | 0,743 |
| 2 | 0,35 | 315 | 0,343 | 0,75 |
| 3 | 0,70 | 355 | 0,431 | 0,831 |
| 4 | 0,82 | 420 | 0,574 | 0,974 |
| 5 | 0,93 | 460 | 0,662 | 1,062 |
| 6 | 1,15 | 500 | 0,75 | 1,15 |
| 7 | 1,20 | 500 | 0,75 | 1,15 |
| 8 (прототип) | - | 315 | 0,343 | 0,743 |
| Таблица 6 Минимальное и максимальное содержание [Nb+Ti+V], рассчитанное согласно зависимости [Nb+Ti+V]=(0,0002·Kпр-0,013)±0,03, % |
||||
| № состава | Содержание [Nb+Ti+V], мас.% | Требуемый класс прочности Кпр | Содержание (Nb+Ti+V), мас.% согласно зависимости [Nb+Ti+V]=(0,0002·Кпр-0,013)±0,03, % | |
| [Nb+Ti+V]min | [Nb+Ti+V]max | |||
| 1 | 0,01 | 315 | 0,02 | 0,08 |
| 2 | 0,02 | 315 | 0,02 | 0,08 |
| 3 | 0,045 | 355 | 0,028 | 0,088 |
| 4 | 0,084 | 420 | 0,041 | 0,101 |
| 5 | 0,096 | 460 | 0,049 | 0,109 |
| 6 | 0,015 | 500 | 0,057 | 0,117 |
| 7 | 0,125 | 500 | 0,057 | 0,117 |
| 8 (прототип) | 0,051 | 315 | 0,02 | 0,08 |
Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы №2-6) и выполнении зависимостей (1)-(3) достигаются механические свойства с классами прочности от 315 до 500. При запредельных значениях заявленных параметров (составы №1 и 7) и использовании способа-прототипа (состав №8) классы прочности от 315 до 500 не достигаются: для состава №1 классу прочности 315 не соответствует предел текучести и предел прочности; для состава №7 классу прочности 500 не соответствует относительное удлинение; для способа-прототипа (состав №8) классу прочности 315 не соответствует предел текучести и предел прочности.
Из проката изготавливали штамповкой высоконагруженные детали автомобиля, замечаний к штамповке у потребителя не было.
1. Способ производства горячекатаного проката повышенной прочности, включающий выплавку низколегированной стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,045-0,12 |
| кремний | не более 0,50 |
| марганец | 0,35-1,15 |
| алюминий | 0,01-0,09 |
| азот | не более 0,010 |
| ниобий и/или титан | 0,01-0,08 каждого |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 510-640°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сталь дополнительно содержит ванадий в количестве 0,01-0,08 мас.%.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не превышает 0,117 мас.%.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сталь дополнительно содержит кальций в количестве 0,0005-0,010 мас.%.
5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[С]=(0,0002·Кпр+0,002)±0,02, мас.%,
где 0,0002 - эмпирический коэффициент, %;
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,002 - эмпирический коэффициент, %.
6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание марганца связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[Мn]=(0,0022·Кпр-0,15)±0,20, мас.%,
где 0,0022 - эмпирический коэффициент, %;
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому
минимальному пределу текучести;
0,15 - эмпирический коэффициент, %.
7. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что суммарное содержание ниобия, титана и ванадия связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[Nb+Ti+V]=(0,0002·Kпр-0,013)±0,03, мас.%,
где 0,0002 - эмпирический коэффициент, %;
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому
минимальному пределу текучести;
0,013 - эмпирический коэффициент, %.
